Астрофизики полагают, что порядка 80% вещества в нашей Вселенной состоит из загадочной «темной материи», которую нельзя увидеть или почувствовать человеческими органами чувств или научными приборами.

«Темная материя пока не была обнаружена даже в лаборатории. Мы предполагаем ее наличие из астрономических наблюдений», — рассказал Михаил Медведев, профессор физики и астрономии Канзасского университета, который опубликовал прорывное исследование темной материи в Physical Review Letters, самом престижном журнале в мире, посвященном исследованиям в области физики.

Медведев предложил новую модель темной материи, которую сам назвал «многокомпонентной темной материей из смешанных ароматов».

«Темная материя — это некая неизвестная материя, скорее всего, новая элементарная частица или частицы, не входящие в Стандартную модель, — говорит Медведев. — Ее никогда не наблюдали непосредственно, но знают, что она есть, по гравитации, которую она производит во Вселенной. Многочисленные эксперименты по всему миру пытаются определить непосредственно темную материю».

Теория Медведева опирается на поведение элементарных частиц, которые наблюдались или были предложены. Согласно распространенной на сегодня Стандартной модели физики элементарных частиц, элементарные частицы представлены как варианты кварков, лептонов и калибровочных бозонов — этакие строительные блоки атома. Свойства, или «ароматы», кварков и лептонов склонны изменяться, поскольку те могут соединяться друг с другом — это явление называется «смешивание ароматов».

Распределение темной материи во вселенной, рассчитанное в рамках парадигмы двухкомпонентной темной материи смешанных ароматов

«В повседневной жизни мы привыкли в тому, что каждая частица или атом обладают определенной массой, — говорит Медведев. — Частицы со смешанными ароматами странные — у них есть несколько масс одновременно — и это приводит к увлекательным и необычным эффектам».

Медведев сравнивает смешивание ароматов с белым светом, который содержит несколько цветов и может рождать радугу.

«Если бы белый был особенным ароматом, тогда у красного, зеленого и синего были бы разные массы — один, два и три — которые смешиваются вместе, создавая белый цвет. Изменяя пропорции красного, зеленого и синего в смеси, можно было бы сделать разные цвета, или ароматы, отличные от белого».

Медведев заявляет, что кандидаты на темную материю также могут быть смешанными ароматами — такими как нейтралино, аксионы и стерильное нейтрино.

«На самом деле, это наиболее возможные кандидаты, о которых постоянно говорят люди, — говорит Медведев. — Ранее мы обнаружили, что частицы со смешанными ароматами могут «квантово испаряться» из гравитационного колодца, если их «смешать» — то есть столкнуть с другой частицей. Это замечательный результат, как если бы корабль из материи смешанных ароматов, вместо того чтобы долго и нудно вывозить себя в космос, оказывался там безо всяких видимых усилий».

Оранжевые волны и голубые лучи представляют эффект квантового испарения

Медведев включил физический процесс квантового испарения в «космологический цифровой код» и провел моделирование с помощью суперкомпьютера.

«Каждое моделирование использовало свыше 1000 ядер и работало около недели. Этот процесс длиной в год потребил порядка 2 миллионов компьютерных часов в целом, что эквивалентно 230 годам».

Медведев утверждает, что темная материя может взаимодействовать с обычным веществом крайне слабо, и именно поэтому ее пока не могут обнаружить, несмотря на многочисленные эксперименты, посвященные этому. Поэтому физики разработали рабочую модель полностью бесстолкновительной (невзаимодействующей), холодной темной материи (то есть обладающей крайне низкой тепловой скоростью) с космологической постоянной (непонятной энергетической плотностью, обнаруженной в пустотах внешнего космоса), которую назвали «моделью Lambda-CDM».

Однако эта модель не всегда согласовывалась с данными наблюдений, пока работа Медведева не разрешила старую и проблемную загадку.

«Наши результаты показали, что модель двухкомпонентной темной материи смешанных ароматов разрешает все актуальные проблемы модели Lambda-CDM», — рассказал ученый.