Temná hmota nadále vzdoruje našim nejlepším snahám ji zachytit. Zatímco temná hmota zůstává dominantní teorií kosmologie a existuje mnoho důkazů na podporu vesmíru plného studené temné hmoty, každé hledání částic temné hmoty nic nepřinese. Nová studie pokračuje v této tradici a vylučuje řadu kandidátů na temnou hmotu.
Co víme o interakcích temné hmoty. Kredit: Perimeter Institute
Pokud existují částice temné hmoty, víme, že nemohou silně interagovat se světlem. Musí interagovat gravitačně a mohou také interagovat prostřednictvím silných a slabých jaderných sil. Také víme, že to nemohou být vysoce masivní částice. Pokud by tomu tak bylo, časem by se rozpadly na lehčí částice a my o tom vidíme jen málo důkazů. To zbývá tři široké kandidáty: malé černé díry, sterilní neutrina, nebo nějaký typ světelného bosonu. Tato nejnovější práce se zaměřuje na třetí možnost.
Tabulka supersymetrických částic. Kredit: Claire David / CERN
Známé elementární částice hmoty lze zařadit do jedné ze dvou kategorií: fermiony a bosony. Elektrony, kvarky a neutrina jsou tedy fermiony, zatímco fotony a gluony jsou bosony. Ve standardním modelu částicové fyziky neexistují žádné bosony, které by odpovídaly účtu za temnou hmotu. Některé alternativní modely však předpovídají částice, které by mohly být temnou hmotou. Supersymetrické modely například předpovídají, že každý známý fermion musí mít odpovídající boson a naopak. Elektron by tedy měl protějšek boson známý jako selektron, foton by měl protějšek fermion známý jako fotino a tak dále. Další možností jsou axiony, které byly navrženy v roce 1977, aby se zabývaly jemnými aspekty interakce kvarků.
Jak axiony, tak supersymetrické částice by mohly být bosony s nízkou hmotností a uspokojily by potřeby temné hmoty. Ale pokud existuje, nebyly dosud nalezeny. Přesto by tyto lehké bosony gravitačně interagovaly s běžnou hmotou, proto tato nejnovější studie.
Bosony dokážou černou díru zpomalit jako děti skákající na kolotoči. Kredit: Jose-Luis Olivares, MIT
Pokud je temná hmota tvořena lehkými bosony, pak by se tyto částice rozšířily po celém vesmíru, včetně blízkosti černých děr. Černá díra by gravitačně zachytila blízké bosony, čímž by zvýšila svou hmotnost. Pokud se černá díra otáčí, záchyt částic temné hmoty by také měl tendenci zpomalovat její rotaci. Děti si můžete představit na hřišti s kolotočem. Pokud děti naskočí na kolotoč, když se točí, kolotoč se kvůli přidané hmotě mírně zpomalí. Totéž by platilo pro černé díry.
Jinými slovy, bosony temné hmoty by omezovaly rychlost rotace černých děr. Tým si uvědomil, že těžší bosony by černé díry omezovaly více a lehčí bosony by je omezovaly méně. Podívali se tedy na data LIGO a Virgo o sloučení černých děr, která nám říkají rychlost rotace černých děr před jejich sloučením. Ukazuje se, že některé z těchto černých děr rotovaly tak rychle, že to vylučuje existenci ultralehkých bosonů temné hmoty. Na základě této studie temná hmota nemůže být axiony nebo lehké supersymetrické částice.
Takže ještě jednou, pátrání po temné hmotě nám neukázalo, co temná hmota je, ale co není. Je to extrémně frustrující a potenciálně vzrušující, protože nám rychle docházejí možnosti pro temnou hmotu.
Odkaz:Ng, Ken Ky a kol. “ Omezení ultralehkých skalárních bosonů v rámci měření rotace Black Hole z LIGO-Virgo GWTC-2 .'Fyzické kontrolní dopisy126,15 (2021): 151102.
