Цікаві результати фізики та темна матерія: як аномальні спостереження можуть допомогти розкрити загадку Всесвіту

Темна матерія, яка, за сучасними уявленнями, складає близько 85% всієї матерії у Всесвіті, продовжує залишатися нерозгаданою головоломкою. Ми не бачимо її безпосередньо, проте її гравітаційний вплив пояснює структуру та стабільність галактик, а також динаміку руху зірок. Проблема в тому, що стандартні моделі фізики елементарних частинок досі не дають переконливої відповіді, що ж являє собою ця невловима речовина. Попри велику кількість експериментів, спеціально спрямованих на пошук темної матерії, часто саме аномальні результати з інших, неспеціалізованих напрямів досліджень можуть стати ключем до розуміння природи цієї містичної складової нашого Всесвіту.

Як зазначається у дослідженні [Feng & Matchev, 2001], аномальні відхилення у поведінці елементарних частинок чи космологічних параметрів цілком здатні навести на слід темної матерії. Розглянемо декілька таких аномалій.

Мюон g-2: коли важчий родич електрона ставить запитання

Мюон, який є важчим двоюрідним братом електрона, поводиться дивно у магнітному полі. Експеримент Muon g-2 (Fermilab), результати якого були оприлюднені у 2021 році, підтвердив попередні дані 2001 року. Проблема полягає у тому, що ці експерименти дають значення, які не узгоджуються з передбаченнями Стандартної моделі. Теоретики дуже ретельно розраховують, як віртуальні частинки повинні впливати на мюон. Якщо розрахунки та експериментальні вимірювання надалі залишатимуться розбіжними, то, як припускають дослідження [Feng, Matchev, 2001], винуватцем може бути нова частинка, приміром, нейтраліно – кандидат на роль темної матерії у суперсиметричних теоріях.

Якщо віртуальні нейтраліно модифікують теоретичні прогнози, це здатне узгодити теорію з експериментом. Звісно, існують і більш прості, не пов’язані з темною матерією пояснення. Проте якщо аномалія мюона g-2 залишатиметься після уточнення розрахунків, зв’язок із темною матерією стане ще більш інтригуючим.

Національна Лабораторія Прискорювачів Фермі — Національна лабораторія прискорювачів Фермі

Напруга Хаббла: розбіжність у темпах розширення Всесвіту

Константа Хаббла (H₀) – показник швидкості розширення нашого Всесвіту – створює гостру суперечність у космології. Вимірювання темпу розширення за даними раннього Всесвіту (космічний мікрохвильовий фон) та за даними ближчого до сучасності Всесвіту дають різні результати. Ця “напруга Хаббла” існує десятиліттями.

Чи може темна матерія пояснити цю суперечність? Деякі космологи, зокрема Софія Гад-Наср (Університет Каліфорнії в Ірвіні), припускають, що якщо темна матерія розпадається, то зменшується її кількість, а темна енергія переважатиме, збільшуючи розширення. В результаті H₀ може бути більшим, що відповідає “пізнім” вимірюванням. Втім, таке пояснення ускладнює інші аспекти космологічних моделей. Гад-Наср також припускає, що проблема може бути глибше пов’язана з нашими знаннями про темну енергію.

Надлишок KOTO: сигнал у розпаді каона

У 2019 році експеримент KOTO (J-PARC) спостерігав аномальний надлишок подій дуже рідкісного розпаду каона. Цей результат був настільки несподіваним з огляду на прогнози Стандартної моделі, що деякі дослідники (наприклад, у роботах [Kling та ін.]) припустили існування нової метастабільної частинки, яка б розпадалася приблизно за 1 метр від місця свого утворення. Така характеристика часто згадується у теоріях, де фігурують кандидати на частинки темної матерії.

Подальші аналізи показали, що статистична значущість цього надлишку поки що замала для однозначних висновків. Проте, якщо майбутні серії експериментів KOTO підтвердять цей ефект, він може стати ще одним натяком на приховані процеси, потенційно пов’язані з темною матерією

Головоломка радіуса протона: чи була темна матерія у грі?

У 2010 році експеримент CREMA (Charge Radius Experiment with Muonic Atoms) виміряв радіус протона з використанням мюонного водню. Результат виявився приблизно на 4% меншим від прийнятого значення (CODATA). Ця розбіжність викликала гіпотезу про вплив “нової фізики”, включно з можливістю існування частинок темної матерії, що взаємодіють специфічно з мюонами.

Однак у 2019 році додаткові спектроскопічні експерименти з звичайним воднем підтвердили менший радіус протона, узгоджуючи вимірювання. Проблема, здавалося, була вирішена, проте інші експерименти досі дають різні результати. Потрібні подальші дослідження, щоб поставити фінальну крапку.

Погляд у майбутнє

Чи знайдемо ми у цих аномаліях підказки до природи темної матерії? Відповідь залежить від точніших вимірювань та продуманіших теоретичних моделей. Фізики наголошують, що Стандартна модель вже зараз не може пояснити низку фактів про будову та еволюцію Всесвіту, і темна матерія залишається великим нерозгаданим питанням. Нові аномальні результати – це можливі “підказки”, які можуть спрямувати дослідників у потрібному напрямку. Досвід минулого сторіччя фізики елементарних частинок свідчить, що саме несподівані спостереження часто стають поштовхом для революційних відкриттів.

Висновок

Темна матерія – це ключ до розуміння гравітаційної архітектури нашого Всесвіту, але ми все ще на початкових сходинках розгадки її природи. Аномалії у вимірюваннях мюонів, розпадах каонів, розрахунках константи Хаббла та визначенні радіуса протона можуть дати цінні натяки. Навіть якщо деякі з цих аномалій зникнуть з часом, сама наполегливість темної матерії залишиться викликом. Наукова спільнота продовжує пошук, адже без пошуку у всіх можливих напрямках нові відкриття залишатимуться прихованими.

Джерела:

1. Feng, J. L. & Matchev, K. T. (2001). “Supersymmetry and the Anomalous Magnetic Moment of the Muon.” Physical Review Letters.

2. Muon g-2 Collaboration, Fermilab. Офіційні дані та прес-релізи: https://muon-g-2.fnal.gov

3. CODATA (Committee on Data for Science and Technology): https://codata.org

4. Інформація щодо експерименту KOTO (J-PARC): https://koto.kek.jp