Ученые рассматривают гипотезу, согласно которой темная материя состоит из частиц аксион.
Ученые предсказывают, что темная материя состоящая из аксион и составляет 27% Вселенной, что довольно существенно, если учесть, что все остальное, что мы можем наблюдать—от атомов водорода до черных дыр—составляет всего 4%.
Считается, что темная материя взаимодействует с нормальной только через гравитацию и слабое ядерное взаимодействие. Вероятно, именно поэтому она не может быть последовательно обнаружена. Неспособность обнаружить частицы побудила ученых предложить альтернативные варианты, такие как гипотетические нейтральные частицы аксионы. Это совсем другие частицы чем нейтрино и антинейтрино.
Поиск аксиона — это скорее процесс элиминации исключения неизвестного из системы уравнений.
Что они смогли исключить до сих пор? Ну, в основном из-за технических ограничений ученые и раньше искали аксионы с небольшой массой. Новые теоретические модели предсказывают, что аксион немного тяжелее. Насколько тяжелый? – Мы не знаем.
Теоретики построили множество моделей, предсказывающих существование более или менее экзотических частиц, которые могут объяснять темную материю. Ничто не мешает темной материи состоять из нескольких различных элементов.
Среди кандидатов это аксионы. Эти чрезвычайно легкие частицы взаимодействовали бы с обычной материей почти исключительно через гравитацию. Современные модели предсказывают, что в определенных ситуациях фотон может превратиться в аксион, а через некоторое время снова превратиться в фотон. Это гипотетическое явление лежит в основе знаменитых экспериментов «освещение через стену». Они включают в себя направление интенсивного луча лазерного света на толстое препятствие и наблюдение за теми фотонами, которые превращаются в аксионы, проникающие сквозь стену. После прохождения через него некоторые из аксионов могут снова стать фотонами, с точными характеристиками как те, что изначально были направлены на стену.
В последние годы появились теоретические работы, предполагающие возможность взаимодействия аксионов с глюонами и нуклонами. В зависимости от массы аксионов эти взаимодействия могут приводить к меньшим или большим возмущениям с характером колебаний дипольных электрических моментов нуклонов или даже целых атомов. Предсказания означали, что эксперименты могут содержать ценную информацию о существовании и свойствах потенциальных частиц аксионов.
В исследовании физики сообщают, как различные кривые и скорости вращения этих галактик могут быть объяснены, если частицы темной материи действительно сталкиваются друг с другом вблизи центра галактики в процессе, называемом самовзаимодействием темной материи.
Используя математические уравнения, физики элементарных частиц в 70-х годах предположили, что мы можем решить эту сильную задачу с введением теоретической частицы, называемой аксионом. И если мы сделаем больше математики и напишем описание того, как должна выглядеть частица аксион, мы обнаружим, что она обладает двумя очень захватывающими качествами:
а) она имеет массу;
б) она вообще не очень взаимодействует с электромагнетизмом.
Аксион — это то, что физики называют «многообещающий кандидат» для темной материи. Это все равно что убить двух зайцев одним теоретическим невидимым камнем.
И если аксионы — это темная материя, то мы должны быть окружены ими прямо сейчас. Если бы мы только могли построить правильное оборудование, мы, возможно, смогли бы обнаружить таинственную массу, которая удерживает нашу галактику вместе.
Если аксионы — это темная материя и существуют повсюду вокруг нас, то можно войти в резонансную полость, вступить в реакцию с магнитным полем и превратиться в частицу света-фотон. Хотя мы не смогли бы увидеть эти фотоны, ученые довольно хорошо умеют их измерять.
Они способны измерить, сколько энергии она имеет (частота), когда она находится внутри резонансной полости. И эта частота соответствует массе аксиона, из которого она возникла.
Около 85 процентов Вселенной — это темная материя из, вероятно, аксион, но мы еще так много о ней не знаем.
Однако мы знаем, что она имеет безошибочный гравитационный отпечаток на космологических и астрономических наблюдениях.
