Вопрос о том, какие частицы составляют темную материю, в физике элементарных частиц сегодня один из ключевых. Были предположения, что составляющие ее частицы будут обнаружены на Большом адронном коллайдере (БАК).
Однако этого не произошло — целый ряд ставших классическими гипотез о природе темной материи не подтвердился. Самые разные наблюдения показывают, что темная материя существует, но получается, она не может состоять из частиц Стандартной модели.
Поэтому физики вынуждены рассматривать более сложные и многообразные варианты. Речь идет о расширении Стандартной модели элементарных частиц. Например, обсуждаются гипотетические частицы с массами от 10-26 до 10+14 масс электрона, то есть на 40 порядков отличающимися друг от друга.
Существует теоретическая модель, которая объясняет состав темной материи с помощью сверхлегких частиц. Она успешно решает часть задач, которые вытекают из астрономических наблюдений.
Но такие легкие частицы сложно изучать, потому что они очень слабо взаимодействуют с окружающим веществом и светом. В лабораторных условиях обнаружить их практически невозможно, поэтому ученые ориентируются на астрономические наблюдения.
«Мы говорим о частицах темной материи, которые на 28 порядков легче электрона. Для модели, которую мы решили проверить, это принципиально важно. Темную материю мы видим по гравитационным проявлениям.
И если набрать наблюдаемую массу темной материи сверхлегкими частицами, их получится очень много. Но когда речь идет о столь легких частицах, сразу возникает вопрос, как защитить их от получения эффективной массы из-за квантовых поправок?
Расчеты показывают, что ответ может быть связан со слабым взаимодействием этих частиц с фотонами, электромагнитным излучением. Из чего открывается возможность изучать их гораздо проще, потому что астрономия позволяет наблюдать электромагнитное излучение», — рассказывает Сергей Троицкий, один из авторов работы, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.
Когда частиц много, можно говорить о них не как о частицах, а как о поле, которое заполняет всю Вселенную с определенной плотностью. В доменах размером порядка 100 парсек поле когерентно осциллирует.
Период осцилляции определяется массой частиц, если исходить из рассмотренной авторами модели, он должен составлять порядка одного земного года. При прохождении поляризованного излучения сквозь такое поле плоскость поляризации световой волны начнет вращаться с тем же периодом.
Подобные изменения свойств излучения можно отследить благодаря астрономическим наблюдениям. И периодичность порядка года очень удобна, потому что за многими объектами наблюдение ведется на протяжении нескольких лет, значит, изменения в поляризации их излучения можно будет легко обнаружить.
Авторы работы решили использовались данные наземных радиотелескопов, так как они возвращаются к одним и тем же астрономическим объектам много раз на протяжении цикла наблюдений. Такие телескопы видят далекие ядра активных галактик — сгустки плазмы.
Из последних выходит излучение с очень высокой степенью поляризации. Наблюдая один и тот же сгусток, можно увидеть, как изменяется угол поляризации от года к году.
«Сначала нам показалось, что сигнал отдельных астрономических объектов вырисовывает синусоиду. Но проблема заключается в том, что период этого синуса должен определяться массой частиц темной материи, а значит, должен быть одинаковым у всех объектов. Наша выборка была из 30 наблюдаемых объектов. И даже если попадались периодические изменения, которые связаны с внутренней физикой этих излучающих областей, от одного объекта к другому периоды никогда не повторялись, — продолжает Сергей Троицкий. — Это значит, что взаимодействие с излучением наших сверхлегких частиц темной материи можно смело ограничить. Мы не исключаем существование таких частиц, но мы показали отсутствие их взаимодействия с фотонами, тем самым получив ограничение на существующие модели, описывающие состав темной материи».
«Представляете, как здорово?! В течение многих лет изучаешь себе квазары, а тут приходят коллеги-теоретики и оказывается, что результаты наших высокоточных поляризационных измерений можно использовать для понимания природы темной материи!» — восторженно добавляет Юрий Ковалев, соавтор работы, руководитель научных лабораторий в ФИАН и МФТИ.
В дальнейшем авторы планируют искать проявления возможных частиц темной материи больших масс, которые рассматриваются в других теоретических моделях. Для этого нужны иные методы наблюдений и спектральные диапазоны. По словам Сергея Троицкого, альтернативные модели имеют более жесткие ограничения.
«Сейчас весь мир работает над поиском частиц темной материи. Это одна из основных загадок в физике частиц. На сегодня нет такой модели, которая была бы основной, лучше проработанной или более вероятной с точки зрения совокупности экспериментальных результатов. Надо проверять все. К сожалению, темная материя — „темная“ в том смысле, что практически ни с чем не взаимодействует. В частности, со светом. Как видно, в некоторых сценариях она может немного менять световую волну, которая проходит сквозь нее. Но есть и такой сценарий, в котором ее частицы вообще никак не взаимодействуют с нашим миром. Только гравитационно. Но тогда ее частицы будет очень сложно найти», — заключает Сергей Троицкий.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
