Evo i zašto…

Znanstvenici vjeruju da su pronašli moguću težinu tamne tvari u svemiru.

Britanski su fizičari pokazali da učinci povezani s kvantnom gravitacijom dovode do snažnih ograničenja moguće mase čestica tamne tvari.

Pokazalo se da su rasponi dopuštenih masa na ovaj način za različite vrste tamnih čestica znatno uži od ranijih teorijskih ograničenja i isključuju postojanje vrlo laganih i vrlo teških čestica tamne tvari. U budućnosti takav rezultat može biti koristan tijekom eksperimentalnih pretraga tamne tvari.

Dokazi o postojanju tamne materije

Fizičari imaju puno neizravnih dokaza o postojanju tamne tvari – hipotetskog oblika materije koji ne sudjeluje u elektromagnetskoj interakciji. Bez pretpostavke o postojanju tako mračnog analoga obične materije vrlo je teško objasniti brojne pojave koje fizičari nazivaju skrivenim masenim efektima.

Štoviše, ti se učinci očituju na raznim prostornim i vremenskim ljestvicama našeg Svemira. Na primjer, tamna tvar omogućuje istodobno objašnjenje i abnormalno visokih brzina rotacije perifernih područja galaksija i značajki u podacima o reliktnom mikrovalnom zračenju, iako se ti učinci temelje na potpuno različitoj fizici i nastali su u različitim fazama evolucije Svemira.

Stoga su fizičari sigurni u postojanje tamne tvari, unatoč činjenici da je do sada nisu uspjeli izravno registrirati.

Tamnoj tvari, međutim, nije mjesto u Standardnom Modelu – dobro uspostavljenoj teorijskoj konstrukciji u fizici čestica koja točno opisuje nakupljeno tijelo eksperimentalnih podataka na ovom području. Stoga, da bi opisali prirodu tamne materije, znanstvenicima su potrebne nove teorije i za ispitivanje predloženih hipoteza – eksperimentalni podaci o karakteristikama tamnih čestica od kojih je najvažnija njihova masa.

Sužavanje raspona dopuštenih masa tamne materije

Ranije predloženi teorijski konstrukti rekli su da bi masa čestica tamne tvari trebala biti u rasponu između oko 10 -22 eV i 10 19 GeV. Na temelju ovih ograničenja također su dizajnirani eksperimenti na izravnoj registraciji tamne tvari. Nova teorijska ograničenja mase tamnih čestica omogućila bi sužavanje opsega eksperimentalnih pretraga.

Sada su Xavier Calmet i Folkert Kuipers sa Sveučilišta u Sussexu u svojoj teorijskoj studiji značajno suzili raspon mogućih masa čestica tamne tvari. U njemu su se znanstvenici koristili općeprihvaćenom pretpostavkom da je interakcija tamne tvari sa samom sobom i s običnom materijom, ne zahvaljujući gravitaciji, zanemariva. Ali bilo je moguće dobiti jača ograničenja na masu tamne materije upravo uzimajući u obzir djelovanje gravitacije na nju i u njezinom kvantnom obliku.

Pretpostavljena kvantna narav gravitacije fizičarima je ograničila gornju granicu mase : čestice koje su preteške tijekom proteklog vijeka svemira propadale bi zbog kvantnih učinaka. U slučaju previše svijetlih tamnih čestica, učinci kvantne gravitacije doveli bi do pojave takozvane pete sile.

Eksperimenti

Tijekom studije znanstvenici su razmotrili slučaj skalarnih i pseudoskalarnih (aksiona) čestica tamne tvari, kao i tamnih fermiona (sa spinom 1/2) i čestica sa spinom 2, koji su svi bili singletni s obzirom na transformaciju mjerača.

Kao rezultat, tamni su fermioni bili najsnažnije ograničeni, čiju su masu fizičari smjestili u rasponu od 10 2 do 10 10 elektron volti. Dobivena su nešto slabija ograničenja za skalarne čestice i tamnu tvar sa spinom 2: za njih se ispostavilo da je dopuštena masa između 10 -3 i 10 7 elektron-volti.

Iste vrijednosti dobivene su za tamne aksione ako zakoni kvantne gravitacije krše paritet, u suprotnom slučaju masa tamnih pseudoskalarnih čestica trebala bi biti između 10 -21 i 10 7 elektronvolta. Uz to, fizičari su razmatrali slučaj vektorske čestice s spinom 1: masa joj je bila ograničena na 10 -22 i 10 7 elektron-volti.

Znanstvenici primjećuju da su takva ograničenja dobili uzimajući u obzir kvantnu gravitaciju u najslabijoj od mogućih varijacija, odnosno djelujući na skalama ne većim od Planckove mase. Ovo je najgora opcija za razmatranu teoriju u smislu snage konačnih ograničenja, a ako je kvantna gravitacija jača, rezultirajuća ograničenja na masu tamne materije samo će se povećavati.

S druge strane, također je važno da dobiveni rezultati vrijede samo za mjerno-invarijantna polja: u suprotnom slučaju, mjerna invarijantnost će “spasiti” čestice od propadanja i pojave pete sile, što znači da dobivena ograničenja neće vrijediti.

Kosmos