Kosmologian vakiomalli kertoo meille, että vain 4,9% maailmankaikkeudesta koostuu tavallisesta aineesta (ts. Sellaisesta, jonka voimme nähdä), kun taas loput koostuvat 26,8% tummasta aineesta ja 68,3% tummasta energiasta. Kuten nimet viittaavat, emme voi nähdä niitä, joten niiden olemassaolo on pitänyt päätellä teoreettisten mallien, maailmankaikkeuden laaja-alaisen rakenteen havaintojen ja sen näkyvien painovoimavaikutusten perusteella näkyvään aineeseen.
Ensimmäisen ehdotuksensa jälkeen siitä, mistä Dark Matter -hiukkaset näyttävät, ei ole ollut pientä ehdotuksia. Ei kauan sitten, monet tutkijat ehdottivat, että Dark Matter koostuu heikosti vuorovaikutuksessa olevista massiivisista hiukkasista (WIMP), jotka ovat noin sata kertaa protonin massaa, mutta ovat vuorovaikutuksessa kuin neutriinot. Kuitenkin kaikki yritykset löytää WIMP-koneita törmäyskokeita käyttämällä ovat tulleet tyhjiksi. Sellaisenaan tutkijat ovat viime aikoina tutkineet ajatusta, että tumma aine voi koostua jostakin muusta kokonaan.
Nykyisissä kosmologisissa malleissa on taipumus olettaa, että tumman aineen massa on noin 100 gev (giga-elektrovolttia), mikä vastaa useiden muiden hiukkasten massaasteikkoa, jotka toimivat vuorovaikutuksessa heikon ydinvoiman kautta. Tällaisen hiukkasen olemassaolo olisi yhdenmukainen hiukkasfysiikan standardimallin supersymmetristen laajennusten kanssa. Lisäksi uskotaan, että sellaisia hiukkasia olisi tuotettu kuumassa, tiheässä, varhaisessa maailmankaikkeudessa aineen massatiheydellä, joka on pysynyt yhdenmukaisena tänäkin päivänä.
Käynnissä olevat kokeelliset pyrkimykset WIMP: ien havaitsemiseksi eivät kuitenkaan ole tuottaneet mitään konkreettisia todisteita näistä hiukkasista. Näihin sisältyy WIMP-tuhoamistuotteiden (ts. Gammasäteiden, neutriinojen ja kosmisten säteiden) etsiminen läheisistä galakseista ja klustereista, samoin kuin suorien havaitsemiskokeiden käyttäminen superkollidereilla, kuten CERNin suuri hadronikollidi (LHC) Sveitsissä.
Tämän takia monet tutkijaryhmät ovat alkaneet harkita WIMP-paradigman ulkopuolelle etsimistä Dark Matter. Yksi tällainen ryhmä koostuu Tanskan CERN- ja CP3-Origins-ryhmän kosmologien ryhmästä, joka julkaisi äskettäin tutkimuksen, jonka mukaan Dark Matter voi olla paljon raskaampi ja vuorovaikutuksessa vähemmän kuin aiemmin ajateltiin.
Kuten tohtori McCullen Sandora, yksi tutkijaryhmän jäsenistä CP-3 Originsistä, kertoi Space Magazinelle sähköpostitse:
"Emme voi vielä sulkea pois WIMP-skenaariota, mutta jokaisen kuluneen vuoden aikana yhä enemmän epäillään, ettemme ole nähneet mitään. Lisäksi tavallinen heikko mittakaavan fysiikka kärsii hierarkiaongelmasta. Eli miksi kaikki hiukkaset, joista tiedämme, ovat niin kevyitä, etenkin luonnollisen painovoiman, Planckin asteikon, joka on noin 10, suhteen19 GeV. Joten jos pimeä aine olisi lähempänä Planck-asteikkoa, hierarkiaongelma ei vaikuta siihen, ja tämä selittää myös miksi emme ole nähneet WIMP: iin liittyviä allekirjoituksia. "
Käyttämällä uutta mallia, jota he kutsuvat Planckian Interacting Dark Matter (PIDM) -ryhmään, ryhmä on selvittänyt tumman aineen massan ylärajaa. Kun WIMP: t asettivat pimeän aineen massan sähköhöyryn asteikon ylärajaan, tanskalaiset tutkimusryhmät Marthias Garny, McCullen Sandora ja Martin S. Sloth ehdottivat hiukkasia, jonka massa on lähellä toista luonnollista mittakaavaa - Planckin skaalaa.
Planck-asteikolla yksittäinen massayksikkö vastaa 2,17645 × 10-8 kg - suunnilleen mikrogramma tai 1019 kertaa suurempi kuin protonin massa. Tässä massassa jokainen PIDM on olennaisesti niin raskas kuin hiukkas voi olla, ennen kuin siitä tulee miniatyyri musta reikä. Ryhmä teoretoi myös sitä, että nämä PIDM-hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa vain painovoiman avulla ja että suuri joukko niitä muodostui hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa "uudelleenlämmitys" -kauden aikana - ajanjaksona, joka tapahtui inflaatiokauden lopulla, noin 10-36 t0 10-33 tai 10-32 sekuntia ison iskun jälkeen.
Tämä aikakausi on niin kutsuttu, koska inflaation aikana kosmisen lämpötilan uskotaan laskeneen kertoimella 100 000 tai niin. Kun inflaatio päättyi, lämpötilat palasivat inflaatiota edeltäneeseen lämpötilaansa (arviolta 10 ° C)27 K). Tässä vaiheessa inflaatiokentän suuri potentiaalienergia hajosi normaalimallipartikkeleiksi, jotka täyttivät maailmankaikkeuden ja joihin olisi kuulunut Dark Matter.
Tämän uuden teorian mukana tulee luonnollisesti osuus kosmologeista. Esimerkiksi, jotta tämä malli toimisi, lämmityskauden lämpötilan olisi pitänyt olla korkeampi kuin tällä hetkellä oletetaan. Lisäksi kuumempi uudelleenlämmitysjakso johtaisi myös alkeisempien painovoima-aaltojen luomiseen, jotka olisivat näkyvissä kosmisessa mikroaaltouuni-taustassa (CMB).
"Niin korkea lämpötila kertoo meille kaksi mielenkiintoista asiaa inflaatiosta", sanoo Sandora. "Jos tumma aine osoittautuu PIDM: ksi, ensimmäinen on se, että inflaatio tapahtui erittäin korkealla energialla, mikä puolestaan tarkoittaa, että se kykeni tuottamaan varhaisen maailmankaikkeuden lämpötilanvaihteluiden lisäksi myös itse avaruusajan, painovoima-aaltojen muodossa. Toiseksi se kertoo meille, että inflaation energian oli hajoava aineeksi erittäin nopeasti, koska jos se olisi kestänyt liian kauan, maailmankaikkeus olisi jäähtynyt pisteeseen, jossa se ei olisi pystynyt tuottamaan mitään PIDM: itä. "
Näiden gravitaatioaaltojen olemassaolo voitiin vahvistaa tai sulkea pois tulevissa tutkimuksissa, joihin osallistui kosminen mikroaaltouuni (CMB). Tämä on mielenkiintoinen uutinen, koska äskettäisen gravitaatioaaltojen löytämisen odotetaan johtavan uusiin yrityksiin havaita ensiaallot, jotka juontavat juurensa maailmankaikkeuden luontiin.
Kuten Sandora selitti, tämä edustaa win-win-skenaariota tutkijoille, sillä se tarkoittaa, että tämä viimeisin Dark Matter-ehdokas pystyy osoittamaan tai kiistämään lähitulevaisuudessa.
”[O] ur-skenaario antaa konkreettisen ennusteen: näemme gravitaatioaallot seuraavan sukupolven kosmisissa mikroaaltotaustakokeissa. Siksi se on menetys-tappio: jos näemme ne, se on hienoa, ja jos emme näe niitä, tiedämme, että tumma aine ei ole PIDM, mikä tarkoittaa, että tiedämme, että sillä on oltava joitain lisätoimintoja tavallisella aineella. Ja kaikki tämä tapahtuu noin seuraavan vuosikymmenen aikana, mikä antaa meille paljon odottaa. "
Siitä lähtien, kun Jacobus Kapteyn ehdotti pimeän aineen olemassaoloa vuonna 1922, tutkijat ovat etsineet suoria todisteita sen olemassaolosta. Ja yksi kerrallaan ehdokaspartikkelit - gravitinoksista ja MACHOSista aksioihin - on ehdotettu, punnittu ja löydetty tarpeellisiksi. Jos ei muuta, on hyvä tietää, että tämän uusimman ehdokaspartikkelin olemassaolo voidaan todistaa tai sulkea pois lähitulevaisuudessa.
Ja jos todistetaan oikeiksi, olemme ratkaisseet yhden kaikkien aikojen suurimmista kosmologisista mysteereistä! Askel lähemmäksi todellista maailmankaikkeuden ymmärtämistä ja sen salaperäisten voimien vuorovaikutusta. Kaiken teoria, täältä tulemme (tai ei)!
