Standardní model kosmologie nám říká, že pouze 4,9% vesmíru tvoří obyčejná hmota (z toho, co vidíme), zatímco zbytek je 26,8% temná hmota a 68,3% tmavá. energie. Jak název těchto konceptů napovídá, nemůžeme je vidět, takže jejich existence musí vycházet z teoretických modelů, pozorování rozsáhlé struktury vesmíru a zjevné gravitační efekty, které se objevují na viditelné hmotě.
Od té doby, co se o tom poprvé hovořilo, rozhodně neexistovaly žádné spekulace o tom, jak vypadají částice temné hmoty. Není to tak dávno, co si mnoho vědců začalo myslet, že temná hmota se skládá ze slabě interagujících masivních částic (WIMP, WIMP), které jsou zhruba stokrát větší než hmotnost protonu, ale interagují jako neutrina. Všechny pokusy najít WIMP pomocí experimentů s urychlovačem částic však nevedly k ničemu. Vědci proto začali třídit možné alternativy ke složení temné hmoty.
Moderní kosmologické modely mají tendenci předpokládat, že hmotnost temné hmoty leží v rozmezí 100 GeV (gigaelectronvolt), což odpovídá hmotnostním limitům mnoha dalších částic, které interagují pomocí slabé jaderné síly. Existence takové částice by odpovídala supersymetrickému rozšíření standardního modelu částicové fyziky. Kromě toho se věří, že takové částice se měly zrodit v horkém, hustém časném vesmíru s hustotou hmoty, která se dodnes nezměnila.
Probíhající experimenty k identifikaci WIMP však nenalezly žádné konkrétní důkazy o existenci těchto částic. Jednalo se o hledání produktů pro vyhlazení WIMP (gama paprsky, neutrina a kosmické paprsky) v blízkých galaxiích a kupách, stejně jako experimenty s přímou detekcí částic pomocí superkolliderů, jako je LHC.
Supersymetrií se wimpy navzájem ničí a vytvářejí kaskádu částic a záření, včetně gama paprsků se střední energií.
Nenašli nic a mnoho vědců se rozhodlo odejít z paradigmatu WIMP a hledat temnou hmotu jinde. Jedna taková skupina kosmologů CERN a CP3-Origins v Dánsku nedávno zveřejnila studii, která ukazuje, že temná hmota může být při interakci mnohem těžší a slabší, než se dříve myslelo.
Jeden z členů výzkumného týmu CP-3 Origins, Dr. McCullen Sandora, hovořil o úsilí svého týmu:
Propagační video:
"Ještě nemůžeme vyloučit scénář WIMP, ale každý rok máme podezření, že stále více a více, než jsme nic neviděli." Obvyklá slabá škála fyziky navíc trpí problémem s hierarchií. Není jasné, proč jsou všechny částice, které známe, tak lehké, zvláště když se podíváte na přirozenou gravitační stupnici, Planckovu stupnici, která je asi 1019 GeV. Pokud by tedy temná hmota byla blíže Planckově škále, problém hierarchie by to neovlivnilo, a to by také vysvětlovalo, proč jsme neviděli podpisy spojené s WIMP. “
Vědci pomocí nového modelu, který nazývají Planckova interakční temná hmota (PIDM), zkoumají horní hranici hmotnosti temné hmoty. Zatímco WIMP umisťují hmotu temné hmoty na horní konec elektroslabé stupnice, dánský výzkumný tým Martias Garney, McCullen Sandora a Martin Slot navrhl částici s hmotou, která je v úplně jiném přirozeném měřítku - Planckova stupnice.
Na Planckově stupnici je jedna hmotnostní jednotka ekvivalentní 2,17645 x 10-8 kilogramům - asi mikrogramu nebo 1019násobku hmotnosti protonu. Při této hmotnosti je každý PIDM v podstatě tak těžký, jak jen může být částice, než se z něj stane miniaturní černá díra. Skupina také navrhla, aby tyto částice PIDM interagovaly s obyčejnou hmotou jen gravitačně a že spousta z nich byla vytvořena v nejranějším vesmíru během éry silného zahřívání - období, které začalo na konci inflační éry, někde od 10-36 do 33 nebo 10-32 sekund po Velkém třesku.
Tato éra se nazývá proto, že během inflace se předpokládá, že teploty vesmíru stotisíckrát poklesly. Když inflace skončila, teploty se vrátily na předinflační úroveň (asi 1027 Kelvinů). Do této doby se většina potenciální energie inflačního pole rozpadla na částice standardního modelu, který vyplnil vesmír, a mezi nimi i temnou hmotu.
Nová teorie přirozeně přichází se svým podílem důsledků pro kosmology. Například, aby tento model fungoval, musela být teplota topné epochy vyšší, než se v současné době předpokládá. Teplejší období ohřevu by navíc vytvořilo více primárních gravitačních vln, které by se odrazily v kosmickém mikrovlnném pozadí (CMB).
"Tato vysoká teplota nám říká o inflaci dvě zajímavé věci," říká Sandora. - Pokud je temná hmota PIDM: zaprvé, inflace probíhala při velmi vysokých energiích, které způsobovaly nejen kolísání teploty raného vesmíru, ale také samotného časoprostoru ve formě gravitačních vln. Zadruhé, říká nám, že energie inflace se měla extrémně rychle rozpadnout na hmotu, protože kdyby to trvalo dlouho, mohl by se vesmír ochladit do bodu, po kterém by už nemohl vůbec produkovat PIDM.
Existenci těchto gravitačních vln lze potvrdit nebo vyloučit v budoucích studiích kosmického mikrovlnného pozadí. To je nesmírně vzrušující zpráva, protože se očekává, že nedávný objev gravitačních vln povede k obnovenému úsilí o detekci prvotních vln, které mají kořeny v samotném stvoření vesmíru.
Jak vysvětlila Sandora, toto vše představuje pro vědce jasný scénář pro obě strany, protože nejnovější kandidát temné hmoty bude v blízké budoucnosti objeven nebo vyvrácen.
"Náš scénář vytváří pevnou předpověď: uvidíme gravitační vlny v příští generaci experimentů s kosmickým mikrovlnným pozadím." To znamená, že jde o win-win: pokud je vidíme, je to v pořádku, a pokud je nevidíme, pak budeme vědět, že temná hmota není PIDM, což znamená, že musíme očekávat část její interakce s běžnou hmotou. Pokud se to všechno stane v příštích deseti letech, můžeme jen netrpělivě čekat. “
Od té doby, co Jacobus Kaptein poprvé navrhl existenci temné hmoty v roce 1922, vědci hledali přímé důkazy o její existenci. Jeden po druhém byli navrženi kandidáti mezi částicemi - od gravitina po axiony, vyřazeni a šli do říše věčného hledání. Pokud je tento poslední kandidát jednoznačně odmítnut nebo potvrzen, tato možnost již není špatná.
Koneckonců, pokud se to potvrdí, vyřešíme jedno z největších kosmologických tajemství všech dob. Pojďme o krok blíže k porozumění vesmíru a tomu, jak jeho záhadné síly vzájemně působí.