Forskare från Ryssland, Finland, och USA har satt en begränsning på den teoretiska modellen för partiklar av mörk materia genom att analysera data från astronomiska observationer av aktiva galaktiska kärnor. De nya fynden ger ett extra incitament för forskargrupper runt om i världen som försöker knäcka mysteriet med mörk materia:Ingen är helt säker på vad den består av. Tidningen publicerades i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

Frågan om vilka partiklar som utgör mörk materia är avgörande för modern partikelfysik. Trots förväntningarna att partiklar av mörk materia skulle upptäckas vid Large Hadron Collider, detta hände inte. Ett antal då vanliga hypoteser om den mörka materiens natur måste avvisas. Olika observationer indikerar att det finns mörk materia, men tydligen utgör något annat än partiklarna i standardmodellen det. Fysiker måste därför överväga ytterligare alternativ som är mer komplexa. Standardmodellen måste utökas. Bland kandidaterna för inkludering finns hypotetiska partiklar som kan ha massor i intervallet från 10? ²? till 10? gånger elektronens massa. Det är, den tyngsta spekulerade partikeln har en massa 40 storleksordningar större än den för den lättaste.

En teoretisk modell behandlar mörk materia som bestående av ultralätta partiklar. Detta ger en förklaring till många astronomiska observationer. Dock, sådana partiklar skulle vara så ljusa att de skulle interagera mycket svagt med annan materia och ljus, vilket gör dem oerhört svåra att studera. Det är nästan omöjligt att upptäcka en sådan partikel i ett labb, så forskare vänder sig till astronomiska observationer.

"Vi pratar om partiklar av mörk materia som är 28 storleksordningar ljusare än elektronen. Denna uppfattning är kritiskt viktig för modellen som vi bestämde oss för att testa. Gravitationsinteraktionen är det som förråder närvaron av mörk materia. Om vi ​​förklarar allt observerade mörk materia massa i termer av ultralätta partiklar, det skulle betyda att det finns oerhört många av dem. Men med så lätta partiklar som dessa, frågan uppstår:Hur skyddar vi dem från att förvärva effektiv massa på grund av kvantkorrigeringar? Beräkningar visar att ett möjligt svar skulle vara att dessa partiklar interagerar svagt med fotoner - det vill säga med elektromagnetisk strålning. Detta ger ett mycket enklare sätt att studera dem:genom att observera elektromagnetisk strålning i rymden, "sa Sergey Troitsky, en medförfattare av tidningen och chefsforskare vid Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences.

När antalet partiklar är mycket högt, istället för enskilda partiklar, du kan behandla dem som ett fält med viss densitet som genomsyrar universum. Detta fält oscillerar sammanhängande över domäner som är i storleksordningen 100 parsek i storlek, eller cirka 325 ljusår. Det som avgör oscillationsperioden är partiklarnas massa. Om modellen som författarna överväger är korrekt, denna period bör vara ungefär ett år. När polariserad strålning passerar genom ett sådant fält, planet för strålningspolarisering oscillerar med samma period. Om sådana förändringar faktiskt inträffar, astronomiska observationer kan avslöja dem. Och periodens längd - ett markbaserat år - är mycket bekvämt, eftersom många astronomiska objekt observeras under flera år, vilket är tillräckligt för att förändringarna i polarisering ska visa sig.

Författarna till tidningen bestämde sig för att använda data från jordbaserade radioteleskop, eftersom de återvänder till samma astronomiska objekt många gånger under en cykel av observationer. Sådana teleskop kan observera avlägsna aktiva galaktiska kärnor - regioner med överhettad plasma nära galaxernas centrum. Dessa regioner avger mycket polariserad strålning. Genom att observera dem, man kan spåra förändringen i polarisationsvinkeln under flera år.

"Först verkade det som om signalerna från enskilda astronomiska föremål uppvisade sinusformiga svängningar. Men problemet var att sinusperioden måste bestämmas av partikelmassan av mörk materia, vilket betyder att det måste vara samma för varje objekt. Det fanns 30 objekt i vårt prov. Och det kan vara så att några av dem pendlade på grund av sin egen inre fysik, men ändå, perioderna var aldrig desamma, "Troitsky fortsätter." Det betyder att interaktionen mellan våra ultralätta partiklar och strålning mycket väl kan begränsas. Vi säger inte att sådana partiklar inte existerar, men vi har visat att de inte interagerar med fotoner, sätta en begränsning på tillgängliga modeller som beskriver sammansättningen av mörk materia. "

"Tänk vad spännande det var! Du lägger år på att studera kvasarer, när en dag teoretiska fysiker dyker upp, och resultaten av våra polarisationsmätningar med hög precision och hög vinkelupplösning är plötsligt användbara för att förstå naturen hos mörk materia, "lägger Yuri Kovalev entusiastiskt till, en medförfattare till studie- och laboratoriedirektören vid Moskva institutet för fysik och teknik och Lebedev Physical Institute vid Ryska vetenskapsakademin.

I framtiden, laget planerar att söka efter manifestationer av hypoteser om tyngre partiklar av mörk materia som föreslås av andra teoretiska modeller. Detta kräver arbete i olika spektralområden och användning av andra observationstekniker. Enligt Troitsky, begränsningarna för alternativa modeller är strängare.

"Just nu, hela världen är engagerad i sökandet efter partiklar av mörk materia. Detta är ett av partikelfysikens stora mysterier. Från och med idag, ingen modell accepteras som gynnad, bättre utvecklade, eller mer troligt med avseende på tillgängliga experimentella data. Vi måste testa dem alla. Obekvämt, mörk materia är "mörk" i den meningen att den knappast interagerar med någonting, särskilt med ljus. Tydligen, i vissa scenarier kan det ha en liten effekt på ljusvågor som passerar igenom. Men andra scenarier förutsäger inga interaktioner alls mellan vår värld och mörk materia, andra än de som förmedlas av gravitationen. Detta skulle göra dess partiklar mycket svåra att hitta, "avslutar Troitsky.