Som namnet antyder, mörk materia – material som utgör cirka 85 % av massan i universum – avger inget ljus, undviker enkel upptäckt. Dess egenskaper, för, förbli ganska otydlig.

Nu, en teoretisk partikelfysiker vid University of California, Riverside, och kollegor har publicerat en forskningsartikel i Journal of High Energy Physics som visar hur teorier som förutsätter existensen av en ny typ av kraft kan hjälpa till att förklara mörk materias egenskaper.

"Vi lever i ett hav av mörk materia, men vi vet väldigt lite om vad det kan vara, " sa Flip Tanedo, en biträdande professor i fysik och astronomi och tidningens seniorförfattare. "Det är en av de mest irriterande kända okända i naturen. Vi vet att det finns, men vi vet inte hur vi ska leta efter det eller varför det inte har dykt upp där vi förväntade oss det. "

Fysiker har använt teleskop, gigantiska underjordiska experiment, och kolliderare för att lära sig mer om mörk materia under de senaste 30 åren, även om inga positiva bevis har framkommit. Det negativa beviset, dock, har tvingat teoretiska fysiker som Tanedo att tänka mer kreativt om vad mörk materia kan vara.

Den nya forskningen, som föreslår att det finns en extra dimension i rum-tid för att söka efter mörk materia, är en del av ett pågående forskningsprogram vid UC Riverside som leds av Tanedo. Enligt denna teori, vissa partiklar av mörk materia beter sig inte som partiklar. I själva verket, osynliga partiklar interagerar med ännu mer osynliga partiklar på ett sådant sätt att de senare upphör att bete sig som partiklar.

"Målet med mitt forskningsprogram de senaste två åren är att utvidga idén om mörk materia som "pratar" med mörka krafter, ", sa Tanedo. "Under det senaste decenniet, fysiker har insett att förutom mörk materia, dolda mörka krafter kan styra den mörka materiens interaktioner. Dessa skulle helt kunna skriva om reglerna för hur man bör leta efter mörk materia."

Om två partiklar av mörk materia lockas till eller avvisas av varandra, då verkar mörka krafter. Tanedo förklarade att mörka krafter beskrivs matematiskt av en teori med extra dimensioner och framstår som ett kontinuum av partiklar som kan hantera pussel som ses i små galaxer.

"Vårt pågående forskningsprogram vid UCR är en ytterligare generalisering av förslaget om mörka krafter, "sa han." Vårt observerade universum har tre dimensioner av rymden. Vi föreslår att det kan finnas en fjärde dimension som bara de mörka krafterna känner till. Den extra dimensionen kan förklara varför mörk materia har dolt så väl från våra försök att studera den i ett labb."

Tanedo förklarade att även om extra dimensioner kan låta som en exotisk idé, de är faktiskt ett matematiskt knep för att beskriva "konforma fältteorier" - vanliga tredimensionella teorier som är mycket kvantmekaniska. Dessa typer av teorier är matematiskt rika, men innehåller inte konventionella partiklar och anses därför vanligtvis inte vara relevanta för att beskriva naturen. Den matematiska ekvivalensen mellan dessa utmanande tredimensionella teorier och en mer överförbar extradimensionell teori är känd som den holografiska principen.

"Eftersom dessa konforma fältteorier var både svårhanterliga och ovanliga, de hade inte riktigt tillämpats systematiskt på mörk materia, " tillade Tanedo. "Istället för att använda det språket, vi arbetar med den holografiska extradimensionella teorin."

Nyckeldraget i den extradimensionella teorin är att kraften mellan mörk materia partiklar beskrivs av ett oändligt antal olika partiklar med olika massor som kallas ett kontinuum. I kontrast, vanliga krafter beskrivs av en enda typ av partikel med en fast massa. Denna klass av kontinuerligt mörka sektorer är spännande för Tanedo eftersom den gör något "fräscht och annorlunda."

Enligt Tanedo, tidigare arbete med mörka sektorer fokuserar främst på teorier som efterliknar beteendet hos synliga partiklar. Hans forskningsprogram undersöker de mer extrema typer av teorier som de flesta partikelfysiker tyckte var mindre intressanta, kanske för att det inte finns några analoger i den verkliga världen.

I Tanedos teori, kraften mellan mörk materia partiklar är förvånansvärt annorlunda än de krafter som känns av vanlig materia.

"För gravitationskraften eller elektrisk kraft som jag lär ut i min inledande fysikkurs, när du fördubblar avståndet mellan två partiklar minskar du kraften med en faktor fyra. En kontinuerlig kraft, å andra sidan, reduceras med en faktor på upp till åtta."

Vilka konsekvenser har denna extradimensionella mörka kraft? Eftersom vanlig materia kanske inte interagerar med denna mörka kraft, Tanedo vände sig till idén om självinteragerande mörk materia, en idé pionjär av Hai-Bo Yu, en docent i fysik och astronomi vid UCR som inte är medförfattare på tidningen. Yu visade att även i frånvaro av någon interaktion med normal materia, effekterna av dessa mörka krafter kunde observeras indirekt i dvärg sfäroidala galaxer. Tanedos team fann att kontinuumkraften kan återge de observerade stjärnrörelserna.

"Vår modell går längre och gör det lättare än den självinteragerande modellen för mörk materia att förklara det kosmiska ursprunget för mörk materia, sa Tanedo.

Nästa, Tanedos team kommer att utforska en kontinuumversion av modellen "dark photon".

"Det är en mer realistisk bild för en mörk kraft, "Sade Tanedo." Mörka fotoner har studerats i detalj, men vår extradimensionella ram har några överraskningar. Vi kommer också att undersöka de mörka krafternas kosmologi och de svarta hålens fysik. "

Tanedo har arbetat flitigt med att identifiera "blinda fläckar" i sitt teams sökande efter mörk materia.

"Mitt forskningsprogram riktar sig mot ett av de antaganden vi gör om partikelfysik:att samspelet mellan partiklar är väl beskrivet av utbyte av fler partiklar, " sa han. "Även om det är sant för vanlig materia, Det finns ingen anledning att anta det för mörk materia. Deras interaktioner kan beskrivas av ett kontinuum av utbytta partiklar snarare än att bara utbyta en enda typ av kraftpartikel."