Исследователи разработали метод прогнозирования состава темной материи — невидимой материи, обнаруживаемой только благодаря ее гравитационному притяжению к обычной материи, открытия которой давно добивались ученые.

Научная работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, посвящена прогнозированию «космологических сигнатур» для моделей темной материи с массой между массой электрона и протона. Предыдущие методы предсказывали аналогичные сигнатуры для более простых моделей темной материи. Авторы статьи отмечают, что это исследование устанавливает новые способы поиска этих сигнатур в более сложных моделях, поиск которых в экспериментах продолжается.

«Эксперименты по поиску темной материи — не единственный способ узнать больше об этом загадочном типе материи», — говорит Кара Джованетти, аспирант физического факультета Нью-Йоркского университета и ведущий автор статьи.

«Точные измерения различных параметров Вселенной — например, количества гелия во Вселенной или температуры различных частиц в ранней вселенной— также могут многому научить нас о темной материи», — добавляет Джованетти, описывая метод, описанный в статье Physical Review Letters.

В исследовании, проведенном совместно с Хунван Лю, аспирантом Нью-Йоркского университета, Джошуа Рудерманом, доцентом физического факультета Нью-Йоркского университета, и физиком из Принстона Марианджелой Лизанти, Джованетти и ее соавторами сосредоточились на нуклеосинтезе большого взрыва (BBN) — процессе, при котором свет образует материю, такую как гелий, создаются водород и литий. Присутствие невидимой темной материи влияет на то, как будет формироваться каждый из этих элементов. Также жизненно важным для этих явлений является космический микроволновый фон (CMB) — электромагнитное излучение, генерируемой путем объединения электронов и протонов, которые остались после образования Вселенной.

Команда искала способ определить присутствие определенной категории темной материи — с массой между массой электрона и протона — путем создания моделей, которые учитывали как BBN, так и CMB.

«Такая темная материя может изменять содержание определенных элементов, произведенных в ранней Вселенной, и оставлять отпечаток на космическом микроволновом фоне, изменяя скорость расширения Вселенной», — объясняет Джованетти.

В своем исследовании команда сделала прогнозы космологических сигнатур, связанных с присутствием определенных форм темной материи. Эти сигнатуры являются результатом того, что темная материя изменяет температуры различных частиц или изменяет скорость расширения Вселенной.

Их результаты показали, что слишком легкая темная материя приведет к различному количеству легких элементов, чем то, что видят астрофизические наблюдения.

«Более легкие формы темной материи могут заставить Вселенную расширяться так быстро, что у этих элементов не будет шанса сформироваться. Из нашего анализа мы узнаем, что некоторые модели темной материи не могут иметь слишком малую массу, иначе Вселенная выглядела бы иначе, чем та, которую мы наблюдаем», — резюмировала автор изучения, пишет Phys.