Новая теория вторичной инфляции может объяснить избыток темной материи

Стандартная космология — то есть теория Большого Взрыва с ее ранним периодом экспоненциального роста, известного как инфляция — является преобладающей научной моделью нашей Вселенной, в которой совокупность пространства и времени раздулась из очень горячей и плотной точки в гомогенный и постоянно расширяющийся простор. Эта теория объясняет множество физических явлений, которые мы наблюдаем. Но что, если мы не все знаем о ней?

Новая теория физиков Брукхейвенской национальной лаборатории, Национальной ускорительной лаборатории Ферми и Университета Стоуни Брук, опубликованная 18 января в Physical Review Letters, допускает существование короткого периода вторичной инфляции, который мог бы объяснить рассчитанное количество темной материи, существующей во всем космосе.

«Вообще, фундаментальная теория природы может объяснить некоторые явления, но не всегда приводит нас к нужному количеству темной материи, — говорит Хуман Давудьясл, руководитель группы теории высоких энергий в Брукхейвенской национальной лаборатории и автор работы. — Если у вас оказывается слишком мало темной материи, вы можете предложить другой источник, но вместе с ним появится много проблем».

Измерение количества темной материи во Вселенной — нелегкая задача. В конце концов, она темная и не взаимодействует с обычной материей привычным образом. Тем не менее гравитационные эффекты темной материи позволяют ученым весьма точно оценить ее количество. Лучшие оценки показывают, что она составляет порядка четверти объема массы-энергии Вселенной, тогда как обычная материя — из которой состоят звезды, наша планета и мы — составляет всего 5%. Темная материя — преобладающая форма вещества во Вселенной, и это заставляет физиков разрабатывать теории и эксперименты для исследования ее свойств и поиска пути ее происхождения.

Некоторые теории, которые элегантно объясняют странности в физике, — к примеру, чрезмерную слабость гравитации по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями, электромагнитным, сильными и слабыми ядерными силами — нельзя принять целиком и полностью, поскольку они предсказывают наличие большего количества темной материи, чем показывают эмпирические наблюдения.

Эта новая теория решает эту проблему. Давудьясл и его коллеги добавили еще один шаг общепринятой последовательности зарождения пространства и времени.

В стандартной космологии экспоненциальное расширение Вселенной под названием космическая инфляция начало примерно через 10^-35 секунд после начала времени. Взрывное расширение космического пространства продлилось сущие доли секунды и привело к появлению горячей Вселенной, которая начала остывать и остывает по сей день. Когда возраст Вселенной был от нескольких секунд до минуты — то есть она достаточно остыла — началось образование легких элементов. Но между этими пунктами могли быть и другие инфляционные интерлюдии, считает Давудьясл.

«Они точно не были такими мощными или жестокими, как первоначальная инфляция, но внесли свой вклад в распределение темной материи», — говорит ученый.

В начале, когда температуры достигали миллиардов градусов в относительно небольшом объеме пространства, частицы темной материи могли сталкиваться между собой и аннигилировать после контакта, передавая свою энергию стандартным составляющим частиц материи вроде электронов и кварков. Но по мере того, как Вселенная продолжала расширяться и остывать, частицы темной материи встречались все реже и реже, и темп аннигиляции не мог идти в ногу с темпом расширения.

«В этот момент обилие темной материи уже было запечено в пирог, — говорит Давудьясл. — Не забывайте, что она очень слабо взаимодействует. Поэтому аннигиляция не может поддерживать значительный темп при низких температурах. Самоаннигиляция темной материи становится неэффективной довольно быстро, и количество частиц темной материи замораживается».

Однако чем слабее взаимодействия темной материи, тем менее эффективна аннигиляция и тем больше должно быть конечное обилие частиц темной материи. И поскольку эксперименты накладывают все более строгие ограничения на силу взаимодействий темной материи, некоторые из современных теорий приходят к переоценке количества темной материи во Вселенной. Чтобы привести теорию в соответствие с наблюдениями, Давудьясл и его коллеги предположили, что имел место другой инфляционный период, подпитываемый взаимодействиями в «скрытом сегменте» физики. Этот второй период инфляции, более мягкий, характеризуется быстрым увеличением в объеме и должен был ослабить изобилие первичных частиц, потенциально оставив Вселенную с той плотностью темной материи, которую мы наблюдаем сегодня.

«Это определенно не вписывается в стандартную космологию, но вы должны признать, что Вселенная может и не укладываться в стандарт вещей, который мы придумали, — говорит ученый. — Впрочем, мы не собирались создавать нечто сложное. Мы показали, как с помощью простой модели и наличия короткого периода инфляции в ранней Вселенной можно было бы прийти к тому количеству темной материи, которое мы наблюдаем сейчас».

Доказать эту теорию — совершенно другое дело. Давудьясл говорит, что может быть способ изучения самых слабых взаимодействий между скрытым сегментом физики и обычной материи.

«Если эта вторичная инфляция имела место, ее можно охарактеризовать энергиями в пределах досягаемости экспериментов на ускорителях вроде коллайдера релятивистских ионов (RHIC) и Большого адронного коллайдера», говорит он. Только время покажет, проявятся ли признаки скрытого сегмента в столкновениях на этих коллайдерах или на других экспериментальных установках.