В журнале Physical Review Letters вышло исследование ученых из Института теоретической астрофизики Университета Осло. В нем предложена новая нижняя граница массы частиц темной материи, если они относятся к классу сверхлегких бозонов — частиц с integer-спином, способных находиться в одном квантовом состоянии.
Темная материя, по оценкам, составляет около 85% всей материи во Вселенной. Однако она до сих пор не была зафиксирована напрямую, ее существование подтверждается только через гравитационное влияние на звезды и галактики. Именно поэтому понять природу темной материи — значит найти ключ к устройству Вселенной.
Ранее были сделаны попытки оценить массу частиц темной материи, если они являются фермионами, частицами с полуцелым спином, через принцип Паули — правило, запрещающее двум фермионам находиться в одном состоянии. Но для бозонов, к которым относятся, например, фотоны и частицы Хиггса, этот принцип не действует. Исследование под руководством Тима Циммерманна впервые дало ограничение именно для бозонной темной материи.
Команда использовала наблюдательные данные по карликовой галактике Leo II, находящейся рядом с Млечным Путем. Благодаря ее компактности и близости, изучение движения звезд в Leo II позволило определить, как распределена масса в ее пределах. Это движение регулируется гравитацией, включая влияние темной материи.
Ученые с помощью инструмента GRAVSPHERE смоделировали более 5000 вариантов распределения плотности темной материи. Затем они сопоставили эти данные с волновыми функциями частиц с разной массой, решив уравнение Шредингера. Вывод оказался однозначным: если масса бозона темной материи меньше 2×10⁻²¹ электрон-вольта, наблюдаемая структура Leo II не может быть воспроизведена.
Причина — квантовая размытость. У слишком легких частиц невозможно одновременно точно определить положение и импульс, из-за чего они ведут себя как волны и не могут скапливаться в плотных областях. Это делает такие массы невозможными с точки зрения наблюдаемой реальности.
Ранее популярная модель размытой темной материи предполагала массу около 10⁻²² электрон-вольта. Новые данные ставят под сомнение ее состоятельность. Исследователи также планируют применить свои методы к моделям смешанной темной материи, в которых участвуют частицы с разными массами.
Темная материя остается одной из самых загадочных составляющих Вселенной, и для ее изучения ученые используют самые разные подходы — от математического моделирования до создания уникальных приборов. Один из таких недавно разработанных детекторов может значительно продвинуть нас в поиске аксионов и других кандидатов в темную материю — подробнее об этом вы можете прочитать в этой статье.
