Новые теории происхождения тёмной материи: «зеркальный мир» и граница Вселенной

Художественная иллюстрация механизма, предложенного профессором Стефано Пруфумо, где квантовые эффекты у быстро расширяющегося космического горизонта после Большого взрыва гравитационно генерируют частицы тёмной материи. Автор: Стефано Пруфумо

Два недавних исследования профессора Стефано Пруфумо из Калифорнийского университета в Санта-Круз предлагают теории, пытающиеся ответить на один из самых фундаментальных открытых вопросов современной физики: какова природа частиц тёмной материи?

Наука располагает неопровержимыми доказательствами существования этой загадочной субстанции, которая составляет 80% всей материи во Вселенной. Присутствие тёмной материи объясняет, почему галактики остаются связанными и вращаются. Такие явления, как крупномасштабная структура Вселенной и измерения реликтового излучения, также подтверждают, что нечто пока неизвестное пронизывает космическую тьму.

Однако происхождение тёмной материи и её частичные свойства остаются загадкой. Эти сложные вопросы находятся в сфере интересов теоретических физиков, таких как Пруфумо. В двух своих последних работах он рассматривает их с разных точек зрения, но обе теории основаны на идее, что тёмная материя могла естественным образом возникнуть в условиях ранней Вселенной, а не быть экзотической новой частицей, взаимодействующей с обычной материей.

Тени иного мира

В первом исследовании, опубликованном 8 июля в журнале Physical Review D, рассматривается возможность образования тёмной материи в «скрытом секторе» — своего рода «зеркальном мире» с собственными частицами и силами. Хотя он полностью невидим для нас, этот теневой сектор подчиняется тем же физическим законам, что и известная нам Вселенная.

Идея вдохновлена квантовой хромодинамикой (КХД), описывающей, как кварки связываются внутри протонов и нейтронов сильным ядерным взаимодействием. В работе Пруфумо сильное взаимодействие воспроизводится в тёмном секторе как «тёмная КХД», где частицы — тёмные кварки и глюоны — образуют тяжёлые составные частицы, называемые тёмными барионами. В определённых условиях ранней Вселенной эти барионы могли стать настолько плотными и массивными, что коллапсировали под собственной гравитацией в крошечные чёрные дыры или объекты, похожие на них.

Эти остатки были бы всего в несколько раз тяжелее планковской массы — фундаментального масштаба квантовой гравитации. Но если бы они образовались в нужном количестве, то могли бы объяснить всю наблюдаемую сегодня тёмную материю. Поскольку они взаимодействуют только через гравитацию, их невозможно обнаружить обычными детекторами, но их присутствие формирует Вселенную в крупных масштабах.

На границе космоса

Во втором исследовании, опубликованном в мае, Пруфумо рассматривает возможность, что тёмная материя могла образоваться у расширяющегося «космического горизонта» Вселенной — аналога горизонта событий чёрной дыры.

Работа задаётся вопросом: если Вселенная пережила краткий период ускоренного расширения после инфляции, могла ли эта фаза сама «излучить» частицы в существование? Используя принципы квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, исследование показывает, что этот механизм мог породить широкий спектр масс тёмной материи.

«Оба механизма спекулятивны, но они предлагают самодостаточные и вычислимые сценарии, не зависящие от традиционных моделей частиц тёмной материи, которые всё чаще ставятся под сомнение из-за отсутствия экспериментальных подтверждений», — отметил Пруфумо, заместитель директора по теории в Институте физики частиц Санта-Круз.

Интересный факт: в 2017 году Пруфумо выпустил учебник «Введение в физику частиц тёмной материи», где описал современные методы моделирования и поиска этой загадочной субстанции. Калифорнийский университет в Санта-Круз уже несколько десятилетий играет ключевую роль в космологии, включая развитие стандартной ΛCDM-модели, которая лучше всего объясняет наблюдаемые данные.

Дополнительная информация: Stefano Profumo, Dark matter from quasi–de Sitter horizons, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/vmw2-4k77
Stefano Profumo, Dark baryon black holes, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/PhysRevD.111.095010

Источник: University of California - Santa Cruz