Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-14-6
Гравитационное излучение черных дыр поможет найти ультралегкие частицы темной материи

Февраль 2019

Физики-теоретики из Нидерландов и Германии предложили искать аксионоподобные легкие бозоны с помощью гравитационного излучения от двойных систем, сливающихся черных дыр. Для этого ученые показали, что облако частиц, которое образуется за счет сверхизлучения черных дыр, может испытывать резонансные переходы и модифицировать гравитационный сигнал. Статья опубликована в Physical Review D, препринт на сайте arXiv.org.

Наземные детекторы такие тонкие детали увидеть не могут. Как правило, когда физики говорят о темной материи, они подразумевают вимпы (WIMP) — слабо взаимодействующие массивные частицы. Поскольку такие частицы не участвуют в электромагнитном взаимодействии, увидеть их с помощью обычных телескопов нельзя. Вимпы возникают в большом числе теоретических моделей, которые предсказывают, что масса гипотетических частиц составляет не меньше десяти масс протона. К сожалению, увидеть вимпы на практике не смогли. Поэтому физики переключаются на альтернативные теории темной материи.

В частности, некоторые из этих моделей утверждают, что темная материя состоит не из тяжелых, а из невероятно легких бозонов, масса которых не превышает 10^-19 масс протона. Как и вимпы, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели, однако проявляют себя через гравитационные эффекты — гравитационное линзирование и кривые вращение галактик. Самый известный пример легкого бозона — это аксион, предложенный в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Изначально аксион вводился в Стандартную модель, чтобы «очистить» ее от проблемы сохранения CP-инвариантности в сильных взаимодействиях, однако на роль частицы темной материи он тоже хорошо подходит. Кроме того, аксионоподобные легкие частицы возникают в теории струн и других альтернативных теориях. Но, к сожалению, зарегистрировать аксионы с помощью наземных детекторов очень сложно.

Физики-теоретики Даниэль Бауманн (Daniel Baumann), Хорн Шэн Чиа (Horng Sheng Chia) и Рафаэль Порто (Rafael Porto) предложили альтернативный способ детектирования легких аксионоподобных частиц. Для этого ученые заметили, что за счет сверхизлучения вокруг вращающихся черных дыр формируются облака сверхлегких скалярных частиц. Теоретически, такие облака могут исказить спектр гравитационных волн, которые испускают двойные системы сливающихся черных дыр. Сейчас ученые могут измерить этот спектр с помощью гравитационных волн можно косвенно подтвердить существование аксионов.

Авторы статьи подчеркивают, что их метод чувствует даже такие частицы, которые связаны с частицами Стандартной модели только гравитационным взаимодействием. Ни один другой эксперимент такие частицы почувствовать не может, хотя они являются идеальным кандидатом на роль темной материи.

Несмотря на то, Physical Review D опубликовал статью только на прошлой неделе, ученые выложили ее препринт еще в апреле прошлого года. Благодаря этому к моменту выхода ее уже успели процитировать 15 раз. Более того, некоторые цитирующие статьи были напечатаны в рецензируемых журналах намного раньше работы Баумана, Чиа и Порто.

_{nplus1.ru, 11 февраля 2019, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2019/02/11/axionlike-signal}

_{Журнал Physical Review D, 2019}

_{Даниэль Бауманн (Daniel Baumann), Хорн Шэн Чиа (Horng Sheng Chia) и Рафаэль Порто (Rafael Porto)}

_{https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.99.044001}