Standartinis kosmologijos modelis sako, kad tik 4,9% visatos sudaro paprastoji materija (iš to, ką galime pamatyti), o likusioji dalis yra 26,8% tamsiosios medžiagos ir 68,3% tamsiosios energijos. Kaip rodo šių sąvokų pavadinimas, mes jų nematome, todėl jų egzistavimas turėtų sekti iš teorinių modelių, didelio masto Visatos struktūros stebėjimų ir akivaizdžių gravitacinių efektų, kurie pasireiškia matoma materija.
Nuo tada, kai apie tai buvo kalbėta pirmą kartą, tikrai netrūko spekuliacijų, kaip atrodo tamsiosios medžiagos dalelės. Ne taip seniai daugelis mokslininkų pradėjo manyti, kad tamsioji materija susideda iš silpnai sąveikaujančių masyvių dalelių (WIMP, WIMP), kurios yra maždaug 100 kartų didesnės už protono masę, tačiau sąveikauja kaip neutrinai. Nepaisant to, visi bandymai rasti WIMP naudojant dalelių greitintuvo eksperimentus nieko nedavė. Todėl mokslininkai pradėjo išsiaiškinti galimas tamsiosios medžiagos sudėties alternatyvas.
Šiuolaikiniai kosmologiniai modeliai linkę daryti prielaidą, kad tamsiosios medžiagos masė yra 100 GeV (gigaelektronvoltas) ribose, o tai atitinka daugelio kitų dalelių, kurios sąveikauja silpnos branduolinės jėgos pagalba, masės ribas. Tokios dalelės egzistavimas atitiktų supersimetrinį dalelių fizikos standartinio modelio išplėtimą. Be to, manoma, kad tokios dalelės turėjo gimti karštoje, tankioje, ankstyvoje visatoje, turint medžiagos masės tankį, kuris išliko nepakitęs iki šių dienų.
Tačiau vykstantys eksperimentai, skirti nustatyti WIMP, nerado jokių konkrečių įrodymų apie tokių dalelių egzistavimą. Tai apėmė WIMP sunaikinimo produktų (gama, neutrinai ir kosminiai spinduliai) paieškas netoliese esančiose galaktikose ir spiečiuose, taip pat tiesioginius dalelių aptikimo eksperimentus naudojant superciderius, tokius kaip LHC.
Pagal supersimetriją vimpai sunaikina vieni kitus, sukurdami dalelių ir radiacijos kaskadą, įskaitant vidutinės energijos gama spindulius
Nieko neradę, daugelis mokslininkų nusprendė nutolti nuo WIMP paradigmos ir ieškoti tamsiosios medžiagos kitur. Viena tokių kosmologų grupių CERN ir CP3-Origins Danijoje neseniai paskelbė tyrimą, kuris parodė, kad tamsioji materija gali būti daug sunkesnė ir silpnesnė sąveika, nei manyta anksčiau.
Vienas iš „CP-3 Origins“tyrimų grupės narių dr. McCullen Sandora pasakojo apie savo komandos pastangas:
Reklaminis vaizdo įrašas:
„Mes dar negalime atmesti WIMP scenarijaus, tačiau kiekvienais metais įtariame vis daugiau ir daugiau, nei nieko nematėme. Be to, įprasta silpna fizikos skalė kenčia nuo hierarchijos problemos. Neaišku, kodėl visos mums žinomos dalelės yra tokios lengvos, ypač jei pažvelgsite į natūralią gravitacijos skalę, Plancko skalę, kuri yra apie 1019 GeV. Taigi, jei tamsioji materija būtų arčiau Plancko skalės, hierarchijos problema jos nepaveiktų, ir tai taip pat paaiškintų, kodėl nematėme parašų, susijusių su WIMP. “
Naudodami naują modelį, kurį jie vadina Plancko veikiančia tamsiąja medžiaga (PIDM), mokslininkai tiria viršutinę tamsiosios medžiagos masės ribą. Nors WIMPs tamsiosios medžiagos masė dedama į viršutinį elektros srovės skalės galą, Danijos Martias Garney, McCullen Sandora ir Martin Slot tyrimų grupė pasiūlė dalelę, kurios masė būtų visiškai kitokio natūralaus masto - Plancko skalė.
Planko skalėje vienas masės vienetas prilygsta 2,17645 x 10–8 kilogramams - maždaug mikrogramas, arba 1019 kartų didesnis už protono masę. Esant tokiai masei, kiekvienas PIDM iš esmės yra toks sunkus, koks gali būti dalelė, prieš tapdamas miniatiūrine juodąja skylute. Grupė taip pat teigė, kad šios PIDM dalelės sąveikauja su įprasta materija tik gravitaciškai ir kad daug jų susiformavo labai ankstyvoje Visatoje stipraus kaitinimo laikais - laikotarpiu, kuris prasidėjo infliacinės eros pabaigoje, kažkur nuo 10-36 iki 10- 33 arba 10–32 sekundės po Didžiojo sprogimo.
Ši era vadinama todėl, kad manoma, jog infliacijos metu kosmoso temperatūra nukrito 100 000 kartų. Kai infliacija baigėsi, temperatūra grįžo į savo lygį prieš infliaciją (apie 1027 Kelvinų). Iki to laiko didžioji potencialios infliacijos lauko energijos dalis suskilo į Visatą užpildžiusio Standartinio modelio daleles, o tarp jų - ir tamsiąją materiją.
Natūralu, kad naujoji teorija turi savo dalį pasekmių kosmologams. Pavyzdžiui, kad šis modelis veiktų, šildymo epochos temperatūra turėjo būti aukštesnė, nei manoma šiuo metu. Be to, karštesnis kaitinimo laikotarpis taip pat sukurtų daugiau pirminių gravitacinių bangų, kurios atsispindėtų kosminiame mikrobangų fone (CMB).
„Ši aukšta temperatūra mums pasakoja du įdomius dalykus apie infliaciją“, - sako Sandora. - Jei tamsioji materija yra PIDM: pirma, infliacija vyko esant labai didelėms energijoms, kurios gravitacinių bangų pavidalu sukeltų ne tik ankstyvosios Visatos temperatūros, bet ir paties erdvės laiko svyravimus. Antra, jis mums sako, kad infliacijos energija turėjo būti labai greitai suskaidyta į materiją, nes jei tai užtruktų ilgai, Visata galėtų atvėsti iki taško, po kurio ji apskritai nebegalėtų gaminti PIDM.
Šių gravitacinių bangų egzistavimą galima patvirtinti arba atmesti ateityje atliekant kosminio mikrobangų fono tyrimus. Tai nepaprastai įdomi žinia, nes tikimasi, kad neseniai atrastos gravitacinės bangos paskatins atnaujinti pastangas aptikti pirmaprades bangas, kurios įsišaknija pačioje visatos kūryboje.
Kaip paaiškino Sandora, visa tai mokslininkams pateikia aiškų abiejų šalių laimėjimo scenarijų, nes artimiausiu metu naujausias kandidatas į tamsiąją medžiagą bus arba atrastas, arba paneigtas.
„Pagal mūsų scenarijų galima aiškiai prognozuoti: gravitacines bangas pamatysime naujos kartos eksperimentuose su kosminiu mikrobangų fonu. Tai reiškia, kad tai yra abipusė nauda: jei mes juos matysime, tai gerai, o jei nematysime, žinosime, kad tamsioji materija nėra PIDM, o tai reiškia, kad turime tikėtis tam tikros jos sąveikos su įprasta materija. Jei visa tai nutiks per ateinančius dešimt metų, galime tik nekantriai laukti “.
Nuo tada, kai Jokūbas Kapteinas 1922 m. Pirmą kartą pasiūlė tamsiosios materijos egzistavimą, mokslininkai ieškojo tiesioginių jos egzistavimo įrodymų. Po vieną buvo pasiūlyti dalelių kandidatai - nuo gravitinų iki ašių -, jie buvo atrinkti ir palikti amžinojo ieškojimo srityje. Na, jei šis paskutinis kandidatas yra vienareikšmiškai paneigtas arba patvirtintas, tai jau nėra blogas variantas.
Juk jei tai pasitvirtins, išspręsime vieną didžiausių visų laikų kosmologinių paslapčių. Priimkime žingsnį arčiau visatos supratimo ir jos paslaptingų jėgų sąveikos.