Ее больше всего во Вселенной: физики выяснили, какую массу имеет темная материя

Фото: EarthSky

Ученые установили нижний предел массы для частиц темной материи, предполагая, что они являются бозонами, а не фермионами. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, пишет Phys.

Темная материя – что это?

Сейчас физики считают, что 85% массы всей материи во Вселенной занимает темная материя, которую невозможно увидеть напрямую. Считается, что именно темная материя помогает формировать галактики и своей гравитацией удерживает их в виде единых структур. Именно благодаря гравитационному влиянию темной материи на видимую материю физики сделали вывод о ее существовании. Но определить природу и массу частиц темной материи пока не удалось.

Из чего состоит темная материя?

Физики знают из чего состоит темная материя и строят лишь предположения по этому поводу. Согласно квантовой механике все фундаментальные частицы должны быть либо фермионами, либо бозонами.

К фермионам относятся кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в ядре атома, сами протоны и нейтроны, а также электроны. К бозонам относятся фотоны, то есть частицы света, бозон Хиггса и другие виды бозонов.

Ранее ученые предположили, что частицы темной материи могут быть фермионами и установили нижний предел их массы с использованием принципа исключения Паули. Согласно этому принципу, два фермиона не могут иметь одно и то же квантовое состояние одновременно. Но это могут делать бозоны.

Нижний предел массы темной материи

Поэтому авторы исследования предположили, что частицы темной материи являются бозонами и установили нижний предел их массы. Расчеты физиков показали, что в таком случае частицы темной материи не могут иметь массу ниже, чем 2 × 10 в минус 21 степени электронвольт (эВ), что в 100 раз больше предыдущих оценок.

При этом самая тяжелая известная фундаментальная частица, истинный кварк, имеет массу 173 миллиарда электронвольт. 1 электронвольт эквивалентен массе примерно 1.7×10 в минус 36 степени килограмм.

Для определения нижнего предела массы темной материи астрофизики использовали наблюдение за галактикой-спутником Млечного Пути под названием Leo II. Она примерно в 1000 раз меньше нашей галактики, то есть ее размер оценивается в примерно 100 световых лет.

Как определили массу темной материи?

Изучая движение звезд внутри галактики Leo II, ученые смогли понять, как распределена темная материя у нее внутри. Движение звезд управляется гравитационным влиянием общей массы галактики, включая темную материю.

Физики создали несколько тысяч возможных профилей плотности темной материи, которые согласуются с наблюдаемым движением звезд. Затем они сравнили эти профили, основанные на наблюдениях, с профилями плотности, созданными квантовыми волновыми функциями, представляющими темную материю различных возможных масс.

Ученые обнаружили, что когда частица темной материи слишком легкая, то есть имеет массу ниже, чем 2×10 в минус 21 степени эВ, квантовые волновые функции не могут воспроизвести наблюдаемое распределение плотности темной материи из-за фундаментальных ограничений принципа неопределенности. Этот принцип ограничивает, насколько точно положение и импульс частицы могут быть известны одновременно.

В том случае, если темная материя слишком легкая, это создает квантовую нечеткость, где частицы ведут себя скорее, как волны, чем как частицы. Эта квантовая нечеткость не позволяет темной материи концентрироваться в небольших участках. С помощью расчетов физики определить точку, в которой масса частица становится слишком маленькой для учета наблюдаемой структуры галактики. По сравнению с предыдущими исследованиями физики увеличили нижнюю границу массы темной материи.

Интересные новости всегда под рукой в нашем Telegram-канале

Подписаться

Карпова Рада
Журналист GolosInfo