Физики использовали все еще живых людей в качестве детектора темной материи

18 июля 2019
98

Физики смогли вывести новые ограничения на параметры частиц темной материи с большой массой, опираясь на факт отсутствия гибели людей от столкновения с ними. Результаты справедливы для класса массивных частиц-кандидатов, которые должны рассеиваться на обычной материи в упругом режиме, пишут авторы в препринте на сервере arXiv.org.

Темной материей в астрономии называют несколько несостыковок между наблюдательными данными и теоретическими оценками. К ним относятся кривые вращения галактик, определяемые на основе линзирования и динамической устойчивости массы скоплений галактик, история формирования крупномасштабной структуры и некоторые другие. В современной космологии считается, что на долю темной материи приходится около четверти суммарной плотности энергии во Вселенной.

На данный момент не существует полноценного объяснения феномену темной материи, а предложенные гипотезы могут использовать принципиально разные явления. Однако наибольшей популярностью среди ученых пользуется предположение о темной материи как о новой форме вещества, состоящей из частиц. Тем не менее, в рамках этого подхода также существует большое разнообразие моделей, так как ни масса, ни другие параметры таких частиц неизвестны.

В течение последних лет наибольшей популярностью пользовалась гипотеза вимпов (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, слабовзаимодействующая массивная частица), чья масса сравнима с известными компонентами обычной материи. Однако интенсивные поиски взаимодействий таких объектов с атомными ядрами на специальных детекторах, а также попытки получить их в столкновениях на ускорителях частиц не увенчались успехом, из-за чего данная модель постепенно теряет популярность. Сложившаяся ситуация заставляет теоретиков обращаться к не изученным ранее областям параметров. Некоторые ученые выдвигают идеи о сверхлегких частицах, таких как аксионы или размытая темная материя, а другие, наоборот, исследуют крупные тела, вплоть до первичных черных дыр с массами порядка солнечной.

Исследователи предлагают рассмотреть человеческое тело в качестве детектора, «срабатывание» которого, то есть успешное взаимодействие с темной материей, приводит к смерти. Авторы сравнивают это с попаданием пули в плане выделяемой энергии (не менее 100 джоулей), но отмечают значительную разницу в других параметрах: макросы должны двигаться примерно со скоростью 250 километров в секунду, а сечение взаимодействия составлять порядка квадратного микрона. Соответственно, макросы порождают иные повреждения — вместо заметного отверстия они должны нагревать расположенный вдоль траектории движения участок ткани в форме цилиндра до температуры порядка 10 миллионов кельвин, то есть превращать его в плазму.

Так как во многих странах существует достаточно надежная статистика об отсутствии смертей от подобных повреждений, то это позволяет наложить ограничения на массы макросов. Физики делают вывод, что подобных частиц с массами менее 50 килограмм не может существовать. Если же массы макросов больше, то их концентрация не очень велика и вероятность столкновения с человеком также низка, однако накопление статистики будет улучшать эту оценку.

О важности идеи темной материи в космологии мы говорили с астрофизиком Андреем Дорошкевичем в материале «Невидимый цемент Вселенной». На основе наблюдений за мерцаниями звезд в Туманности Андромеды ученые запретили темной материи состоять из черных дыр с массой Луны. Также ограничения на массу сверхлегких частиц темной материи удалось получить из фотографии тени черной дыры.