Почему темную материю до сих пор не нашли? Потому что искали не там — физики воскресили идею, похороненную 50 лет назад

Физики предложили обновлённый сценарий появления тёмной материи — и он возвращает к жизни идею, которую считали неприемлемой почти полвека. В недавнем исследовании группа под руководством Стивена Хенриха и Кита Олива из Университета Миннесоты показывает, что нейтрино со скоростью света, могли отделиться от частиц Стандартной модели намного раньше, чем допускали прежние теории. Авторы описывают этот процесс как «ультрарелятивистское замерзание» — ранний этап, на котором взаимодействия между частицами прекращаются.

Тёмная материя составляет около 85% всей массы во Вселенной. Однако она не проявляет себя иначе как через гравитацию, что делает вопрос о её происхождении одним из самых сложных научных загадок.

В 1970-е годы многие исследователи предполагали, что тёмную материю могут образовывать обычные нейтрино — лёгкие, нейтральные частицы, практически не вступающие в контакт с веществом. Тогда казалось, что в ранней Вселенной, где доминировало излучение, нейтрино часто сталкивались с другими частицами, а затем, по мере расширения и охлаждения космоса, отделялись от них, сохраняя колоссальные скорости. Но в 1980-е расчёты показали, что такая «горячая» тёмная материя слишком быстро выравнивала бы плотность вещества, из-за чего первые галактики просто не смогли бы возникнуть. После этого внимание сместилось к другим гипотетическим носителям — более тяжёлым и гораздо слабее взаимодействующим WIMP- и FIMP-частицам, которые десятилетиями пытаются обнаружить экспериментально.

Команда Хенриха решила переосмыслить идею раннего отделения тёмных частиц, но с учётом того, как выглядела Вселенная в моменты сразу после Большого взрыва. Почти мгновенно пространство пережило резкое ускоренное расширение — инфляцию, во время которой вся энергия была сосредоточена в одном квантовом поле, известном как инфлатон. Температура при этом упала, и, согласно новым расчётам, отделение тёмных частиц могло произойти вскоре после завершения инфляции, в период, называемый «перегревом».

Во время перегрева инфлатон распадался на частицы Стандартной модели, создавая будущую радиационную среду. Если тёмные частицы отделялись от этой формирующейся смеси практически сразу, то, несмотря на изначально огромную скорость, они успевали остыть в эпоху радиационного доминирования и уже не мешали зарождению первых галактик. Авторы показывают, что такой режим неизбежно возникает между обычными сценариями WIMP- и FIMP-типа. В этом случае предполагаемые частицы взаимодействуют с веществом ещё слабее, чем WIMP-кандидаты, но сильнее, чем FIMP.

Главная особенность новой работы в том, что она впервые объясняет, почему такие частицы остаются невидимыми для наземных установок, при этом не нарушая представлений о молодой Вселенной. Исследователи определили диапазоны масс и возможных взаимодействий, совместимые с этим механизмом, что даёт шанс, что текущие или будущие эксперименты смогут найти изучить частицы, которые мы так давно игнорировали.

Идею ультрарелятивистского замерзания долго считали тупиковым вариантом, но новое исследование показывает: возможно, её отвергли слишком рано.