Kosmologian vakiomalli kertoo meille, että vain 4,9% maailmankaikkeudesta on tavallista ainetta (mitä voimme nähdä), kun taas loput ovat 26,8% pimeää ainetta ja 68,3% pimeää. energiaa. Kuten näiden käsitteiden nimi viittaa, emme voi nähdä niitä, joten niiden olemassaolon on seurattava teoreettisista malleista, maailmankaikkeuden laajamittaisen rakenteen havainnoista ja näkyvistä aineista ilmeisistä gravitaatiovaikutuksista.
Siitä lähtien, kun siitä puhuttiin ensimmäisen kerran, ei todellakaan ole ollut pulaa spekulaatioista pimeän aineen hiukkasten näyttämisestä. Ei niin kauan sitten monet tutkijat alkoivat ajatella, että pimeä aine koostuu heikosti vuorovaikutuksessa olevista massiivisista hiukkasista (WIMP: t, WIMP: t), jotka ovat noin 100 kertaa protonin massaa, mutta vuorovaikutuksessa kuin neutriinot. Siitä huolimatta kaikki yritykset löytää WIMP: itä hiukkaskiihdytinkokeilla eivät ole johtaneet mihinkään. Siksi tutkijat alkoivat selvittää mahdollisia vaihtoehtoja pimeän aineen koostumukselle.
Nykyaikaisissa kosmologisissa malleissa on taipumus olettaa, että pimeän aineen massa on 100 GeV (gigaelektronivoltti) sisällä, mikä vastaa monien muiden hiukkasten massarajoja, jotka ovat vuorovaikutuksessa heikon ydinvoiman avulla. Tällaisen hiukkasen olemassaolo vastaisi hiukkasten fysiikan standardimallin supersymmetristä laajennusta. Lisäksi uskotaan, että tällaisten hiukkasten olisi pitänyt syntyä kuumassa, tiheässä, varhaisessa maailmankaikkeudessa aineen massatiheyden kanssa, joka on pysynyt muuttumattomana tähän päivään asti.
Käynnissä olevat kokeet WIMP: ien tunnistamiseksi eivät kuitenkaan ole löytäneet konkreettista näyttöä tällaisten hiukkasten olemassaolosta. Näihin sisältyivät WIMP-tuhoamistuotteiden (gammasäteet, neutriinot ja kosmiset säteet) haut läheisissä galakseissa ja klustereissa sekä suorat hiukkastunnistuskokeet supercolliderien, kuten LHC, avulla.
Supersymmetrisesti wimpit tuhoutuvat keskenään ja luovat kaskadin hiukkasista ja säteilystä, mukaan lukien keskenergiset gammasäteet
Mitään löytämättä monet tutkijat päättivät siirtyä pois WIMP-paradigmasta ja etsiä pimeää ainetta muualta. Yksi tällainen kosmologien ryhmä CERN ja CP3-Origins Tanskassa julkaisi äskettäin tutkimuksen, joka osoitti, että pimeä aine voi olla paljon raskaampaa ja heikompaa vuorovaikutuksessa kuin aiemmin ajateltiin.
Yksi CP-3 Origins -tutkimusryhmän jäsenistä, tohtori McCullen Sandora, kertoi tiiminsä ponnisteluista:
Mainosvideo:
"Emme voi vielä sulkea pois WIMP-skenaariota, mutta epäilemme joka vuosi yhä enemmän kuin mitään. Lisäksi tavallinen heikko fysiikan asteikko kärsii hierarkiaongelmasta. On epäselvää, miksi kaikki tuntemamme hiukkaset ovat niin kevyitä, varsinkin jos tarkastellaan luonnollista painovoiman astetta, Planckin asteikkoa, joka on noin 1019 GeV. Joten jos pimeä aine olisi lähempänä Planckin asteikkoa, hierarkiaongelma ei vaikuta siihen, ja se selittäisi myös, miksi emme ole nähneet WIMP: iin liittyviä allekirjoituksia."
Käyttämällä uutta mallia, jota he kutsuvat Planckin Interacting Dark Matteriksi (PIDM), tutkijat tutkivat pimeän aineen massan ylärajaa. Vaikka WIMP: t sijoittavat pimeän aineen massan sähköheikon asteikon yläpäähän, tanskalainen Martias Garneyn, McCullen Sandora ja Martin Slotin tutkimusryhmä ehdotti hiukkasia, joiden massa on täysin eri luonnollisessa mittakaavassa - Planckian.
Planck-asteikolla yksi massayksikkö vastaa 2,17645 x 10-8 kilogrammaa - noin mikrogramma tai 1019 kertaa protonin massa. Tässä massassa kukin PIDM on olennaisesti yhtä raskas kuin hiukkanen voi olla ennen kuin siitä tulee pienoiskoossa musta aukko. Ryhmä ehdotti myös, että nämä PIDM-hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa vain painovoimaisesti ja että monet niistä muodostuivat varhaisessa maailmankaikkeudessa voimakkaan lämmityksen aikakaudella - ajanjakso, joka alkoi inflaatiokauden lopussa, jonnekin välillä 10-36-10- 33 tai 10-32 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen.
Tätä aikakautta kutsutaan, koska inflaation aikana avaruuden lämpötilan uskotaan laskeneen 100000 kertaa. Kun inflaatio päättyi, lämpötilat palasivat inflaatiota edeltävälle tasolleen (noin 1027 Kelvin). Tähän mennessä suurin osa inflaatiokentän potentiaalisesta energiasta on hajonnut standardimallin hiukkasiksi, jotka täyttivät maailmankaikkeuden ja niiden joukossa - pimeän aineen.
Luonnollisesti uusi teoria tuo osansa seurauksista kosmologeille. Esimerkiksi tämän mallin toimimiseksi lämmitysjakson lämpötilan oli oltava korkeampi kuin tällä hetkellä uskotaan. Lisäksi kuumempi kuumennusjakso loisi myös enemmän ensisijaisia painovoima-aaltoja, jotka heijastuisivat kosmisessa mikroaaltotaustassa (CMB).
"Tämä korkea lämpötila kertoo meille kaksi mielenkiintoista asiaa inflaatiosta", Sandora sanoo. - Jos pimeä aine on PIDM: ensinnäkin, inflaatio eteni erittäin korkeilla energioilla, mikä tuottaisi paitsi varhaisen maailmankaikkeuden lämpötilan, myös itse avaruusajan gravitaatioaaltojen muodossa. Toiseksi se kertoo meille, että inflaatioenergian olisi pitänyt hajota aineeksi erittäin nopeasti, koska jos se kestää kauan, maailmankaikkeus voi jäähtyä pisteeseen, jonka jälkeen se ei enää pysty tuottamaan PIDM: ää.
Näiden gravitaatioaaltojen olemassaolo voidaan vahvistaa tai sulkea pois tulevissa kosmisen mikroaaltotaustan tutkimuksissa. Tämä on erittäin jännittävä uutinen, koska gravitaatioaaltojen äskettäisen löydön odotetaan johtavan uusiin pyrkimyksiin havaita alkuaallot, jotka juurtuvat maailmankaikkeuden luomiseen.
Kuten Sandora selitti, kaikki tämä on selkeä win-win-skenaario tutkijoille, sillä uusin pimeän aineen ehdokas joko löydetään tai kumotaan lähitulevaisuudessa.
"Skenaariossamme tehdään rautaennuste: näemme gravitaatioaaltoja seuraavan sukupolven kokeissa, joissa on kosminen mikroaaltotausta. Eli tämä on win-win: jos näemme ne, se on hieno, ja jos emme näe niitä, tiedämme, että pimeä aine ei ole PIDM, josta seuraa, että meidän on odotettava jonkin verran sen vuorovaikutusta tavallisen aineen kanssa. Jos kaikki tämä tapahtuu seuraavan kymmenen vuoden aikana, voimme vain odottaa kärsimättömästi."
Siitä lähtien, kun Jacobus Kaptein ehdotti ensimmäisen kerran pimeän aineen olemassaoloa vuonna 1922, tutkijat ovat etsineet suoraa näyttöä sen olemassaolosta. Yksi kerrallaan, partikkelikandidaatit - gravitinoista aksioneihin - ehdotettiin, seulottiin ja jätettiin ikuisen etsinnän alueelle. No, jos tämä viimeinen ehdokas hylätään yksiselitteisesti tai vahvistetaan, tämä vaihtoehto ei ole jo huono.
Loppujen lopuksi, jos se vahvistuu, ratkaisemme yhden kaikkien aikojen suurimmista kosmologisista mysteereistä. Mennään yksi askel lähemmäksi maailmankaikkeuden ymmärtämistä ja sen salaperäisten voimien vuorovaikutusta keskenään.
