Состоит ли темная материя из «шаров Ферми»

Темная материя — загадочная субстанция, которая проявляет гравитацию, но не взаимодействует со светом — может состоять из крошечных черных дыр, пронизывающих Вселенную. И согласно новой теории, эти черные дыры могли быть сделаны из шаров Ферми или квантовых «мешков» субатомных частиц, известных как фермионы, которые смешивались в плотных карманах во время зарождения Вселенной.

Теория могла объяснить, почему темная материя стала доминировать во Вселенной. «Мы обнаруживаем, что в некоторых случаях шары Ферми настолько плотны, что фермионы находятся слишком близко друг к другу, вызывая коллапс шара Ферми [внутри] в черную дыру», — сказал Ке-Пан Се, исследователь Центра по теоретической физике в Сеульском национальном университете в Южной Корее.

Се и его сотрудник Киёхару Кавана, также из Центра теоретической физики, разработали новый сценарий, объясняющий, как темная материя стала доминировать во вселенной: в разгар невероятной трансформации, когда космос был меньше секунды, появился новый вид. частицы попали в ловушку, схлопнувшись до такой маленькой точки, что превратились в черные дыры. Затем эти черные дыры заполнили Вселенную, обеспечивая вес, необходимый для объяснения темной материи.

Причина первобытных черных дыр

Астрономы и физики не могут объяснить темную материю, загадочную субстанцию, которая составляет более 80% массы любой большой структуры, от галактик до самой космической паутины во Вселенной. Одна интригующая возможность заключается в том, что темная материя возникла из черных дыр.

В конце концов, черные дыры, как и темная материя, не излучают света. «Как своего рода несветящийся и компактный объект, черные дыры являются естественным объяснением темной материи», — сказал Се. Но астрономам давно известно, что обычные черные дыры звездной массы не могут объяснить темную материю Вселенной.

Это потому, что за всю историю Вселенной образовалось недостаточно звезд, чтобы создать достаточно черных дыр, чтобы объяснить известную темную материю. Но в самые ранние моменты существования Вселенной присутствовала довольно ошеломляющая физика. Возможно, то, что происходило тогда, породило триллионы меньших черных дыр. Эти черные дыры могут существовать и по сей день, потенциально решая загадку темной материи. Но чтобы объяснить темную материю, теория должна создать достаточно черных дыр.

Пенистая вселенная

Се и Кавана добавили несколько ингредиентов в свою модель, которая описана в июньском документе, опубликованном в базе данных препринтов arXiv. (Работа еще не прошла рецензирование.)

Они начали с очень молодой, очень горячей и очень плотной Вселенной. Эти экстремальные условия допускают некоторые физические процессы, которые не происходят в нормальных условиях современной Вселенной. Первый ингредиент — это нечто, называемое скалярным полем, которое представляет собой квантово-механическую сущность, охватывающую все пространство.

Хорошо известное поле Хиггса, которое придает материи ее массу, является примером одного из них. Когда Вселенная расширялась и охлаждалась, это скалярное поле претерпевало фазовый переход, переходя из одного квантовомеханического состояния в другое.

Этот фазовый переход не произошел сразу во всей Вселенной. Вместо этого было несколько точек, в которых переход начался, а затем распространился — так же, как несколько пузырьков в кастрюле с кипящей водой сливаются, образуя более крупные пузыри, — сказал Се.

«Этот процесс называется фазовым переходом первого рода: вода переходит из« жидкой фазы »в« газовую фазу », и последняя сначала существует в виде растущих пузырьков», — сказал Се. Новое состояние скалярного поля, называемое «основным состоянием», распространяется из этих точек, как пучок шипящих пузырей. В конце концов пузыри полностью сливаются, и скалярное поле завершает переход.

Как сделать шар Ферми

Однако для создания первичных черных дыр, зарождающих темную материю, Се и Каване понадобился еще один ингредиент. Поэтому они добавили в свою модель фермион нового типа. Фермионы — это категория частиц, которые составляют строительные блоки Вселенной. Например, электроны, протоны и нейтроны, составляющие атомы в вашем теле, являются фермионами.

В очень ранней Вселенной эти фермионы свободно перемещались в скалярном поле. Но согласно рецепту, который приготовили Се и Кавана, эти фермионы не могли проникнуть в маленькие вспенивающиеся пузыри нового основного состояния космоса во время фазового перехода. По мере того, как пузыри росли, фермионы скапливались в оставшихся карманах, становясь шарами Ферми.

И вот тогда у них все пошло наперекосяк. Это потому, что между фермионами существовала дополнительная сила, известная как взаимодействие Юкавы, вызванная тем же самым скалярным полем, как предложили Се и Кавана в статье. Обычно фермионы не любят, когда их собирают в небольшие объемы, но скалярное поле добавляет силу притяжения, которая может подавить это естественное отталкивание, предположили они.

Например, протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кварки являются фермионами и обычно ненавидят друг друга, но дополнительная сила, сильная сила, склеивает их вместе. Эту силу можно смоделировать как взаимодействие Юкавы, подобное физике ранней вселенной, действующей в модели Се и Каваны.

Согласно теории Се и Каваны, как только аттракцион Юкавы завоевал популярность, игра в маленькие шары Ферми была окончена. Втиснувшись в маленькие карманы быстро меняющейся Вселенной, сгустки фермионов катастрофически схлопывались, образуя огромное количество черных дыр.

Эти черные дыры пережили конец фазового перехода и затопили Вселенную в виде темной материи. По крайней мере, идея такова. Это радикальное предложение, но когда дело доходит до физики ранней Вселенной и тайны, окружающей темную материю, нам нужны некоторые радикальные предложения, а также здоровая доза наблюдений, чтобы добиться прогресса.