A kozmológia szokásos modellje azt mondja nekünk, hogy az univerzumnak csak 4,9% -a áll a hétköznapi anyagból (abból, amit láthatunk), míg a többi 26,8% sötét anyag és 68,3% sötét energia. Ahogy e fogalmak neve is sugallja, nem láthatjuk őket, ezért létezésüknek elméleti modellekből, az Univerzum nagy léptékű struktúrájának megfigyeléséből és a látható anyagra megjelenő nyilvánvaló gravitációs hatásokból kell következnie.
Amióta erről először beszéltek, biztosan nem volt hiány a spekulációkban arról, hogy néznek ki a sötét anyag részecskék. Nem is olyan régen sok tudós kezdte azt gondolni, hogy a sötét anyag gyengén kölcsönhatásba lépő masszív részecskékből (WIMP, WIMP) áll, amelyek körülbelül 100-szor nagyobbak, mint a protonok, de kölcsönhatásba lépnek, mint a neutrínók. Mindazonáltal a WIMP-k megtalálásának minden kísérlete részecskegyorsító kísérletek segítségével semmihez sem vezetett. Ezért a tudósok elkezdték válogatni a sötét anyag összetételének lehetséges alternatíváit.
A modern kozmológiai modellek hajlamosak azt feltételezni, hogy a sötét anyag tömege 100 GeV-en belül van (gigaelektronvolt), ami megegyezik sok más részecske tömegkorlátjaival, amelyek egy gyenge atomerő segítségével lépnek kapcsolatba. Egy ilyen részecske megléte megfelelne a részecskefizika standard modelljének szuperszimmetrikus kiterjesztésének. Ezenkívül úgy gondolják, hogy az ilyen részecskéknek forró, sűrű, korai Világegyetemben kellett volna születniük, az anyag tömegsűrűségével, amely a mai napig változatlan maradt.
A WIMP-k azonosítására irányuló folyamatos kísérletek azonban nem találtak konkrét bizonyítékot az ilyen részecskék létezésére. Ide tartoztak a WIMP megsemmisítő termékek (gammasugarak, neutrínók és kozmikus sugarak) keresése a közeli galaxisokban és klaszterekben, valamint közvetlen részecske-detektálási kísérletek olyan szupersiklók segítségével, mint az LHC.
Szuperszimmetriával a wimps megsemmisül egymás között, létrehozva a részecskék és a sugárzás kaszkádját, beleértve a közepes energiájú gammasugarakat is
Semmit sem találva sok tudós úgy döntött, hogy elmozdul a WIMP paradigmától, és másutt keresi a sötét anyagot. A CERN és a CP3-Origins dániai kozmológusok egyik ilyen csoportja nemrégiben publikált egy tanulmányt, amely kimutatta, hogy a sötét anyag sokkal nehezebb és gyengébb kölcsönhatásba léphet, mint azt korábban gondolták.
A CP-3 Origins kutatócsoport egyik tagja, Dr. McCullen Sandora a csapat erőfeszítéseiről beszélt:
Promóciós videó:
„Még nem zárhatjuk ki a WIMP-forgatókönyvet, de minden évben egyre többet gyanakszunk, mint amennyit még nem láttunk. Ezenkívül a fizika szokásos gyenge skálája hierarchiaproblémát szenved. Nem világos, hogy az általunk ismert összes részecske miért ilyen könnyű, különösen, ha a természetes gravitációs skálát, a Planck-skálát nézzük, amely körülbelül 1019 GeV. Tehát ha a sötét anyag közelebb lenne a Planck-skálához, akkor a hierarchia probléma nem érintené, és ez megmagyarázná azt is, hogy miért nem láttunk aláírásokat a WIMP-khez társítva."
A tudósok egy új modell szerint, amelyet Planck Interacting Dark Matter-nek (PIDM) hívnak, a sötét anyag tömegének felső határát vizsgálják. Míg a WIMP-k a sötét anyag tömegét az elektromos gyengeség skála felső végére helyezik, Martias Garney, McCullen Sandora és Martin Slot dán kutatócsoport teljesen más természetes méretű - a Planckian - tömegű részecskét javasolt.
A Planck-skálán egy tömegegység megfelel 2,17645 x 10-8 kilogrammnak - körülbelül mikrogramm, vagyis a proton tömegének 1019-szerese. Ennél a tömegnél minden PIDM lényegében olyan nehéz, mint egy részecske, mielőtt miniatűr fekete lyukká válna. A csoport azt is javasolta, hogy ezek a PIDM részecskék csak gravitációsan lépjenek kapcsolatba a hétköznapi anyaggal, és hogy sokuk a nagyon korai Univerzumban keletkezett az erős fűtés korszakában - ez az időszak az inflációs korszak végén kezdődött, valahol 10-36-tól 10- 33 vagy 10-32 másodperccel az Ősrobbanás után.
Ezt a korszakot azért hívják, mert az infláció során az űrhőmérsékletek vélhetően 100 000-szeresére csökkentek. Amikor az infláció véget ért, a hőmérséklet visszatért az infláció előtti szintre (kb. 1027 Kelvin). Ekkorra az inflációs mező potenciális energiájának nagy része a standard modell részecskéivé bomlik, amely betölti az Univerzumot, és ezek között - a sötét anyagot.
Természetesen az új elmélet a kozmológusokra gyakorolt következményekkel jár. Például ahhoz, hogy ez a modell működjön, a fűtési korszak hőmérsékletének magasabbnak kellett lennie, mint azt jelenleg gondolják. Ezenkívül egy melegebb fűtési periódus több primer gravitációs hullámot is létrehozna, amelyek visszaverődnének a kozmikus mikrohullámú háttéren (CMB).
"Ez a magas hőmérséklet két érdekes dolgot mond el nekünk az inflációról" - mondja Sandora. - Ha a sötét anyag PIDM: először is, az infláció nagyon magas energiákon ment végbe, ami nemcsak a korai világegyetem hőmérsékletének ingadozását eredményezné, hanem magában a téridőben is, gravitációs hullámok formájában. Másodszor azt mondja nekünk, hogy az infláció energiájának rendkívül gyorsan anyaggá kellett volna bomlania, mert ha hosszú időbe telik, az Univerzum lehűlhet arra a pontra, amely után már egyáltalán nem lesz képes PIDM-et előállítani.
Ezeknek a gravitációs hullámoknak a megléte megerősíthető vagy kizárható a kozmikus mikrohullámú háttér jövőbeli tanulmányaiban. Ez rendkívül izgalmas hír, mivel a gravitációs hullámok közelmúltbeli felfedezése várhatóan új erőfeszítéseket fog eredményezni az univerzum létrehozásában gyökerező őshullámok felderítésére.
Mint Sandora kifejtette, mindez egyértelműen előnyös forgatókönyvet jelent a tudósok számára, mivel a sötét anyag legújabb jelöltjét a közeljövőben felfedezik vagy cáfolják.
„A forgatókönyvünk vaskos jóslatot tesz: gravitációs hullámokat fogunk látni a kozmikus mikrohullámú háttérrel végzett kísérletek következő generációjában. Vagyis ez egy win-win: ha meglátjuk őket, akkor nagyszerű, és ha nem látjuk őket, akkor tudni fogjuk, hogy a sötét anyag nem PIDM, amiből az következik, hogy a hétköznapi anyaggal való kölcsönhatásának némelyikére számítani kell. Ha mindez a következő tíz évben történik, akkor csak türelmetlenül várhatunk."
Mivel Jacobus Kaptein 1922-ben először javasolta a sötét anyag létezését, a tudósok közvetlen megerősítést kerestek a létezésére. Egymás után javasolták a részecskejelölteket - a gravitinóktól az axiónákig -, kiszűrték és otthagyták az örökös küldetés területén. Nos, ha ezt az utolsó jelöltet egyértelműen megtagadják vagy megerősítik, akkor ez a lehetőség már jó.
Végül is, ha beigazolódik, akkor minden idők egyik legnagyobb kozmológiai rejtélyét megoldjuk. Térjünk egy lépéssel közelebb az univerzum megértéséhez és ahhoz, hogy titokzatos erői hogyan hatnak egymással.