Учёные отказали частицам тёмной материи в возможности быть сверхтяжёлыми

Получение первых экспериментальных доказательств существования бозона Хиггса около десяти лет назад позволило сделать новый шаг в понимании устройства Вселенной. Бозон Хиггса перестал быть гипотезой, и на этом основании можно продолжить строить наши знания об окружающем нас мире. Например, попытаться обнаружить гипотетическую частицу тёмной материи, для которой бозон Хиггса может оказаться единственным мостиком между видимым и невидимым веществом.

Художественное представление о тёмной материи. Источник изображения: Axel Mellinger, Central Michigan University

Так, на сайте препринтов arXiv появилась статья, которая отказывает гипотетическим частицам тёмной материи в возможности быть слишком тяжёлыми. Учёные обоснованно доказывают невозможность такого развития событий, опираясь на недавнее открытие бозона Хиггса. До получения твёрдых свидетельств его существования особого смысла в дальнейшем поиске не было, но теперь этот путь открыт. До сих пор учёные искали частицы тёмной материи в диапазоне масс 10–1000 ГэВ (гигаэлектронвольт). Это укладывалось в рамки Стандартной модели элементарных частиц и помещало частицу тёмной материи в один ряд по массе с топ-кварками и W-бозонами — самыми тяжёлыми из известных элементарных частиц.

Открытие в 2012 году на Большом адронном коллайдере бозона Хиггса с массой около 125 ГэВ позволило наложить фундаментальные ограничения на массу предполагаемых частиц тёмной материи. Большинство моделей предполагает (и это согласуется с рамками Стандартной модели), что в процессе взаимодействия с частицами бозон Хиггса придаёт им массу и изменяет собственную. Это означает, что слишком тяжёлые частицы тёмной материи оказали бы настолько разрушительное воздействие на бозон Хиггса, что это разрушило бы все наши устоявшиеся представления об устройстве Вселенной.

Сверхтяжёлые частицы тёмной материи можно было бы допустить лишь в случае их полной изоляции от взаимодействия с бозоном Хиггса и, следовательно, с видимым веществом, а также при наличии какого-либо экзотического механизма взаимодействия. Всё это заставляет отклонить путь поиска сверхтяжёлых частиц тёмной материи как маловероятный и направить поиски в сторону лёгких кандидатов, например, аксионов.

Тёмная материя стала необходимой для объяснения загадок Вселенной — ускоренного вращения звёзд вокруг центров галактик и движения галактик в скоплениях вокруг общего центра масс. Очевидно, что вокруг нас происходит нечто необъяснимое с позиций современных знаний об устройстве мира. Учёные подозревают, что в мире существует материя, которая очень слабо и редко взаимодействует с видимой материей исключительно гравитацией. Она заставляет обычное вещество собираться быстрее и влияет на эволюцию Вселенной. С поиском тяжёлых кандидатов на эту роль не сложилось, поэтому учёные теперь сосредотачиваются на поиске лёгких частиц.