Originile materiei întunecate s-ar putea ascunde la marginea Universului sau într-o „lume oglindă”

Două studii recente ale profesorului Stefano Profumo de la Universitatea din California, Santa Cruz, propun teorii care încearcă să răspundă uneia dintre cele mai fundamentale întrebări deschise din fizica modernă: Care este natura materiei întunecate?

Știința a produs dovezi copleșitoare că această substanță misterioasă, care reprezintă 80% din toată materia din univers, există. Prezența materiei întunecate explică ce menține galaxiile unite și le face să se rotească.

• Copiii și ecranele: Cât este prea mult și ce pot face părinții
• Fibrele, noul „trend” în nutriție: cât de mult este, de fapt, sănătos?

Descoperiri precum structura la scară largă a universului și măsurătorile radiației cosmice de fond dovedesc că ceva încă nedeterminat impregnează tot acest întuneric.

Ceea ce rămâne necunoscută este originea materiei întunecate și, prin urmare, proprietățile sale particulare? Aceste întrebări complexe revin în special fizicienilor teoreticieni precum Profumo.

În două lucrări recente, el abordează aceste întrebări din perspective diferite, dar ambele centrate pe ideea că materia întunecată ar fi putut apărea natural din condițiile universului timpuriu, nu neapărat ca o particulă exotică ce interacționează vizibil cu materia obișnuită.

Una dintre cele mai fundamentale întrebări deschise din fizica modernă

Cel mai recent studiu, publicat în Physical Review D, explorează posibilitatea ca materia întunecată să se fi format într-un sector ascuns – un fel de „lume oglindă” cu propriile versiuni de particule și forțe. Deși complet invizibil pentru oameni, acest sector „umbros” ar respecta multe dintre aceleași legi fizice ca și universul cunoscut.

Ideea se inspiră din cromodinamica cuantică (QCD), teoria care descrie cum quarcurile sunt legate între ele în interiorul protonilor și neutronilor prin forța nucleară tare. UC Santa Cruz are rădăcini adânci în acest domeniu: profesorul emerit Michael Dine a fost pionier în modele teoretice ce implică axionul QCD, un candidat principal pentru materia întunecată, iar profesorul Abe Seiden a contribuit la mari experimente care studiază hadronii – particule formate din quarcuri – în fizica de energii înalte.

În noua lucrare a lui Profumo, forța tare este reprodusă în sectorul întunecat sub forma unei teorii „QCD întunecate”, cu propriile particule care se leagă între ele pentru a forma particule compozite grele numite barioni întunecați.

În anumite condiții din universul timpuriu, acești barioni întunecați ar putea deveni suficient de denși și masivi pentru a colapsa sub propria lor gravitație în găuri negre extrem de mici și stabile – sau obiecte care se comportă foarte asemănător cu găurile negre.

80% din toată materia din Univers

Aceste rămășițe asemănătoare găurilor negre ar fi doar de câteva ori mai grele decât masa Planck – scala fundamentală de masă din gravitația cuantică – dar dacă s-ar fi produs în cantitate potrivită, ar putea explica toată materia întunecată observată astăzi.

Deoarece ar interacționa doar prin gravitație, ar fi complet invizibile pentru detectoarele de particule – și totuși, prezența lor ar modela universul la cele mai mari scări. Acest scenariu oferă un cadru nou, testabil, bazat pe fizica bine stabilită.

Celălalt studiu recent al lui Profumo, explorează dacă materia întunecată ar fi putut fi produsă de orizontul cosmic în expansiune – echivalentul cosmologic al orizontului de evenimente al unei găuri negre, scrie Phys.org.

Studiul se întreabă: dacă universul a trecut printr-o perioadă scurtă de expansiune accelerată după inflație, ar fi putut acea fază să „radieze” particule în existență?

Prezența materiei întunecate explică ce menține galaxiile unite

Folosind principii din teoria câmpurilor cuantice în spațiu-timp curbat, lucrarea arată că un interval larg de mase pentru materia întunecată ar putea rezulta din acest mecanism, în funcție de temperatură și de durata acelei faze.

Important este că acest model nu presupune niciun tip de interacțiune între materia întunecată și materia obișnuită – doar că materia întunecată este stabilă și produsă gravitațional.

Ideea este inspirată de modul în care observatorii din apropierea unui orizont cosmic, precum cel al unei găuri negre, percep radiații termale din cauza efectelor cuantice.

„Ambele mecanisme sunt foarte speculative, dar oferă scenarii închise și calculabile care nu se bazează pe modelele convenționale de materie întunecată, aflate tot mai mult sub presiunea rezultatelor experimentale negative”, a spus Profumo, care este și director adjunct pentru teorie la Institutul de Fizică a Particulelor din Santa Cruz.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Magneții supraconductori din laboratoarele pentru materie întunecată pot „auzi” muzica Universului

Oamenii de știință au găsit un „pod” de materie întunecată într-un roi galactic imens

Particulele ușoare de materie întunecată din apropierea centrului galactic ar putea explica trei mistere fizice deodată

Roci vechi de miliarde de ani ar putea ascunde materie întunecată, susțin oamenii de știință