Физики предложили пятое измерение в качестве решения проблемы темной материи

Стандартная модель физики элементарных частиц успешная, но не полная. В ней есть зияющие пробелы, которые не дают покоя теоретикам уже несколько десятилетий. Два самых известных — это темная материя и так называемая проблема иерархии масс.

Первая — это недостающая масса Вселенной. Галактики вращаются слишком быстро, скопления галактик не разлетаются — мы видим гравитационные эффекты вещества, которое не можем зафиксировать. Его примерно в пять раз больше, чем всей обычной материи, но Стандартная модель не предлагает ни одного кандидата на его роль.

Вторая проблема тоньше, но не менее важна. Почему бозон Хиггса, частица, отвечающая за массу, настолько легче характерного масштаба гравитации? Квантовые поправки должны были бы утяжелить его до колоссальных значений. Его наблюдаемая легкость выглядит как случайность, требующая неестественно точной подстройки фундаментальных констант. Физики не любят такие совпадения. Они видят в них указание на более глубокую, пока скрытую от нас физику.

А что, если существует теория, способная подойти к решению обеих проблем? И вдобавок объяснить, откуда вообще берутся массы у некоторых других частиц? Именно такую конструкцию предлагают авторы исследования, приглашая нас заглянуть в мир с одним дополнительным, искривленным измерением пространства.

Пятое измерение как рабочее пространство

Идея дополнительных измерений не нова. Однако в данном случае речь идет не просто о расширении нашего трехмерного мира. Модель основана на концепции искривленного пятого измерения, которое свернуто и имеет микроскопический размер.

Представьте, что наш мир — это трехмерная мембрана, или брана, плавающая в этом пятимерном пространстве. В таких моделях, известных как модели Рэндалл-Сундрум, большинство частиц и сил Стандартной модели заперты на нашей бране. Но есть одно исключение — гравитация.

В этой конструкции гравитация способна распространяться по всему пятимерному объему. Из-за этого ее сила в нашем 3D-мире кажется нам очень слабой. Это дает естественное решение проблемы иерархии: фундаментальный масштаб гравитации на самом деле не так уж велик, просто его влияние на нас ослаблено утечкой в дополнительное измерение.

Но как это связано с темной материей? Здесь на сцену выходит новый элемент.

Новый игрок: скалярный портал

Авторы вводят в эту пятимерную картину новую частицу — скалярное поле. В отличие от поля Хиггса, это поле обладает определенной симметрией (Z₂-нечетностью), которая диктует правила его взаимодействия. Его главная задача в модели — динамически генерировать массы для фундаментальных частиц-фермионов, которые, как и гравитация, могут существовать в полном объеме пятого измерения.

И вот ключевой момент. Если темная материя состоит из таких же фермионов, обитающих в пятом измерении, то она неизбежно будет взаимодействовать с этим новым скалярным полем. Оно становится для нее порталом — единственным окном в мир других частиц.

Более того, это новое поле не существует в изоляции. Оно смешивается с бозоном Хиггса. Это значит, что две частицы, отвечающие за массу, влияют друг на друга. И это приводит к двум важнейшим последствиям:

1. Бозон Хиггса, благодаря смешиванию, тоже получает возможность взаимодействовать с частицами темной материи.
2. Свойства самого бозона Хиггса немного изменяются. Он начинает иначе взаимодействовать с известными нам частицами Стандартной модели.

Эта конструкция связывает воедино три большие идеи: решение проблемы иерархии через геометрию пространства, механизм генерации масс через новое поле и природу темной материи как частиц из объемного мира.

Как это меняет картину мира?

Теория дает несколько конкретных предсказаний.

Во-первых, она предлагает четкий сценарий для ранней Вселенной. В горячем первичном бульоне частицы темной материи рождались и аннигилировали — уничтожали друг друга при столкновении, превращаясь в частицы Стандартной модели. Медиаторами в этом процессе выступали возбужденные состояния нового скалярного поля и бозон Хиггса. По мере остывания Вселенной аннигиляция становилась все реже, и в итоге осталось ровно то количество темной материи, которое мы наблюдаем сегодня. Этот процесс называется «вымораживанием».

Во-вторых, модель предсказывает измеримые эффекты. Поскольку новое поле смешивается с бозоном Хиггса, его взаимодействия с кварками и лептонами будут слегка отличаться от предсказаний Стандартной модели. Нынешние коллайдеры пока не обладают достаточной точностью, чтобы это увидеть, но будущие эксперименты, запланированные на следующие десятилетия, смогут проверить эти отклонения.

Наконец, теория предсказывает, что частицы темной материи могут иногда сталкиваться с атомными ядрами обычной материи. Именно такие события ищут в подземных лабораториях вроде XENON1T. Пока ничего не найдено, и это накладывает строгие ограничения на параметры модели. Но и здесь у авторов есть решение.

Заморозка в нестандартных условиях

Расчеты показывают, что модель работает особенно хорошо, если процесс вымораживания темной материи происходил в несколько необычных условиях. Стандартно считается, что ранняя Вселенная была заполнена в основном излучением. Авторы же рассматривают сценарий, где на короткое время доминировал другой вид энергии — гипотетическое тяжелое поле, ведущее себя как материя.

В такой среде вымораживание происходит иначе. Это позволяет объяснить наблюдаемое количество темной материи для частиц с массой около 10 ТэВ (в десять тысяч раз тяжелее протона), не вступая в противоречие с данными прямых экспериментов. Сигнал от их столкновений с ядрами ксенона был бы слишком слаб, чтобы его можно было зафиксировать сегодня.

Таким образом, теория не просто предлагает кандидата на роль темной материи. Она помещает его в продуманный физический контекст, который одновременно решает другие фундаментальные проблемы и согласуется с существующими экспериментальными данными. Это не просто гипотеза, а целая программа исследований, указывающая, где и что нужно искать в будущем, чтобы подтвердить или опровергнуть ее.

Источник: The European Physical Journal C