Российские физики предположили, что темная материя состоит из темных атомов

Международный коллектив исследователей, включающий специалистов из НИЯУ МИФИ и Южного федерального университета, разработал свежую концепцию, которая может перевернуть представления о тёмной материи. Десятилетиями учёные ломают голову над загадкой: галактики вращаются слишком быстро, и видимых звёзд и газа просто не хватает, чтобы удерживать их гравитацией. Согласно законам физики, такие структуры должны были бы разлететься, но этого не происходит — значит, существует некая невидимая субстанция, создающая дополнительное притяжение.

Прямых доказательств существования частиц тёмной материи до сих пор нет. Особенно тяжело пришлось самой популярной гипотезе о слабовзаимодействующих массивных частицах (WIMP). Последние эксперименты сильно сузили область их возможного существования, поставив под удар многолетнюю теорию. Новая работа предлагает иной путь: скрытая масса состоит не из одиночных элементарных частиц, а образует сложные структуры, похожие на привычные нам атомы.

Как сообщается на сайте Минобрнауки, в этом «тёмном секторе» есть свои аналоги протонов, электронов и фотонов. В ранней Вселенной они объединились, создав своеобразную «тёмную химию». Руководитель исследования, профессор МИФИ Максим Хлопов пояснил, что неизбежные расширения Стандартной модели предсказывают огромное количество возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Отсутствие результатов по поиску суперсимметричных частиц заставляет искать принципиально иные формы.

Модель предсказывает существование сверхтяжёлой частицы с гигантским отрицательным зарядом, которая захватывает ядра гелия, образуя нейтральный «тёмный атом». По расчётам, сегодня почти вся тёмная материя превратилась в смесь таких нейтральных атомов с небольшой добавкой ионизированной фракции. Эта теория, кстати, элегантно объясняет так называемую «позитронную аномалию», которую уже более десяти лет фиксирует детектор AMS на борту Международной космической станции.

Отдельное направление работы посвящено попыткам обнаружить «тёмные атомы» непосредственно на Земле, и здесь на первый план выходит давняя загадка итальянского эксперимента DAMA/LIBRA. Этот детектор на протяжении почти двух десятилетий регистрирует странные периодические колебания числа событий в кристаллах йодида натрия. Физики из МИФИ предполагают, что причиной могут быть именно «тёмные атомы» гелия, проходящие сквозь толщу планеты.

Предполагается, что такой объект — не элементарная частица, а массивная связанная система массой до 11 ТэВ (тяжелее ядра свинца). Пробивая земные породы, он теряет энергию, замедляется до тепловых скоростей и начинает смещаться к центру Земли. Попадая в детектор, он взаимодействует с ядрами натрия, формируя необычное связанное состояние, что сопровождается испусканием фотона с энергией 1–6 кэВ — именно в этом диапазоне и наблюдаются аномальные сигналы.

Причём интенсивность таких событий должна меняться в зависимости от времени года: Земля то движется навстречу потоку тёмной материи, то удаляется от него. Эта годовая модуляция удивительно точно совпадает с данными, которые установка DAMA/LIBRA фиксирует уже около 20 лет. Ещё одно важное следствие: эффект зависит от типа атомных ядер. Наиболее яркий сигнал дают лёгкие ядра, например натрий, тогда как для тяжёлых элементов (типа ксенона) вероятность взаимодействия в сотни раз ниже. Именно поэтому, как считают авторы, аномалию видят в кристаллах йодида натрия, но её нет в детекторах на жидком ксеноне.