Файл: Вселенная и Темная материя.docx

Существуют теоретические предсказания массы и реликтовой плотности нейтра- лино (Рис.8). Кроме нейтралино другими возможными кандидатами на роль частиц темной материи являются снейтрино и гравитино. Однако, экспериментальные дан- ные полученные в [21] исключают снейтрино из кандидатов в ТМ. Что же касается гравитино, то ввиду наличие лишь гравитирующего взаимодействия, он является не слишком приятным кандидатом для экспериментов по поиску частиц ТМ.
Мы рассмотрели вкратце основных небарионных кандидатов на роль частиц на- шей таинственной массы. Явными лидером пока что являются вимпы, но не стоит за- бывать и других, менее популярных, но вполне вероятных кандидатов(Рис.9).

Рис. 8: Реликтовая плотность нейтралино, как функция от ее массы. Различные цвета точек показывают тип смешивания нейтралино. Горизонтальная серая линия – значе- ние плотности холодной темной материи из измерений WMAP. Рисунок из [12].

1 ... 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Барионные кандидаты

До сих пор мы рассматривали лишь небарионных кандидатов на роль ТМ. Однако, существуют и теории, которые предлагают экзотических претендентов из барионной материи. Давайте вкратце познакомимся с некоторыми из них.

Массивные компактные объекты гало галактики

Есть предположения о существовании некоторого класса космических объектов, ко- торые ввиду своей малой светимости и малых размеров не могут быть обнаружены ви- зуально. Эти гипотетические объекты получили название MACHOs (Massive Astrophysical Vompact Halo Objects).

После экспериментов на эффекте гравитационного микролинзирования, в которых проводился мониторинг более чем 55 млн. звезд в Большом и Малом Магелланновых Облаках, были получены приблизтельные оценки вклада MACHOs в ТМ. По резуль- татам, общая масса MACHOs в гало галактик составляет лишь 15% от массы гало [27].

Магнитные монополи

Идею о существовании монополей выдвинул Дирак в 1931 для объяснения квантова- ния электрического заряда. Дирак выдвинул гипотезу о существовании частиц с маг- нитным зарядом g, который связан с электрическим следующим образом:

nkc

ge =

, n = 1, 2, ...

2

Рис. 9: Возможные небарионные виды темной материи, предсказываемые различными теориями [5]. К сожалению, в настоящее время эти теории не в состоянии однознач- но предсказать ожидаемые массы таких частиц. Сокращения: ТМ — темная материя; PQ — Печчеи и Квинн; SUGRA — супергравитация; ОТО — общая теория относи- тельности.

Оценка массы монополя, в предположении что его радиус равен радиусу электрона, давала значение в 2.4 ГэВ (для n = 1). Однако поиски на ускорителях в рамках данной гипотезы ни к чему не привели.

Тесная связь монополей и элементарных частиц объясняется теорией великого объединения — GUT (Grand Unified Theory). Согласно GUT масса монополей долж- на быть порядка 10¹⁷ ГэВ. Что показывает тщетность попыток найти монополи в экс- периментах на ускорителях.

Зеркальные частицы

Идея зеркальных частиц появилась больше полувека назад.

Сейчас эти частиц также являются претендентами на роль скрытой массы.

Сама идея “зеркального мира” возникла в результате нарушения CP-симметрии в слабом взаимодействии. Теория заключается в постулировании существования зер- кальных партнеров. Масса зеркальных частиц, их заряд и характер гравитационного взаимодействия такие же как и у обычных частиц, отличие лишь в том, что у зеркаль- ных партнеров слабое взаимодействие является правым, а не левым.

Чампы

—
Массивные заряженные частицы — CHAMPs (CHArge Massive Particles) были пред- ложены в работе [28]. Согласно теории данных частиц, чампы могли бы существовать в виде сверхтяжелого водорода (Z= +1). Тогда как их античастицы (Z= 1) могли бы образовывать связанные состояния с ядрами или протонами в качестве сверхтя- желого изотопа или нейтрона (нейтрочампа).

В многочисленных экспериментах были проведены оценки масс для различных чампов. Результаты работ основывались на динамических моделях галактик, на экс- периментах с космическими лучами, подземных экспериментах и т.д. Эксперименты позволили исключить чампы с массами 10²-10¹⁶ ГэВ, что делает чампы маловероят- ным кандидатом на роль частиц ТМ.

1 ... 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Обзор экспериментов

Мы уже поговорили о том, как именно нынешняя физика пришла к вопросу о темной материи и от том, какие частицы могут претендовать на роль этой загадочной мас- сы. Теперь же мы обсудим каким образом ученые пытаются обнаружить, те или иные частицы.

На данный момент проводятся десятки экспериментов по поиску частицы в раз- личных странах. Эксперименты проводятся на земле в различных уголках нашей пла- неты, глубоко под землей в заброшенных шахтах и даже в космосе (рис.10). Все они отличаются друг от друга методом поиска, зависит это от того, какие именно частицы они хотят обнаружить, будь то аксион, стерильные нейтрино или вимпы. Но, к сожа- лению, ни один из этих экспериментов, на момент написания данной работы, не принес достоверных результатов.

Все эксперименты, по методу детектирования, можно разделить на две большие группы: косвенные и прямые (рис.11). Прямой метод заключается в том, чтобы ре- гистрировать взаимодействия частиц ТМ в лабораторных условиях. Косвенный же