Standardni model kozmologije govori nam da je samo 4,9% svemira sačinjeno od obične tvari (od onoga što možemo vidjeti), dok je ostatak 26,8% tamne tvari i 68,3% tamne. energije. Kao što naziv ovih pojmova sugerira, ne možemo ih vidjeti, pa bi njihovo postojanje trebalo slijediti iz teorijskih modela, promatranja velike strukture Svemira i očiglednih gravitacijskih učinaka koji se očituju na vidljivoj materiji.
Otkad se o ovome prvi put govori, sigurno ne nedostaje nagađanja o tome kako izgledaju čestice tamne tvari. Ne tako davno, mnogi su znanstvenici počeli misliti da se tamna tvar sastoji od slabo interakcijskih masivnih čestica (WIMP, WIMP), koje su oko 100 puta veće od mase protona, ali međusobno djeluju poput neutrina. Ipak, svi pokušaji pronalaska WIMP-a pomoću eksperimenata s akceleratorom čestica nisu doveli do ničega. Stoga su znanstvenici počeli razvrstavati moguće alternative sastavu tamne tvari.
Suvremeni kozmološki modeli imaju tendenciju pretpostaviti da se masa tamne materije nalazi unutar 100 GeV (gigaelektronvolt), što odgovara ograničenjima mase mnogih drugih čestica koje djeluju uz pomoć slabe nuklearne sile. Postojanje takve čestice odgovaralo bi supersimetričnom proširenju Standardnog modela fizike čestica. Uz to, vjeruje se da su takve čestice trebale biti rođene u vrućem, gustom, ranom svemiru, s gustoćom mase materije, koja je ostala nepromijenjena do danas.
Međutim, tekući eksperimenti za identificiranje WIMP-a nisu pronašli konkretne dokaze o postojanju takvih čestica. To je uključivalo potragu za proizvodima uništenja WIMP-a (gama zrake, neutrino i kozmičke zrake) u obližnjim galaksijama i nakupinama, kao i eksperimente izravne detekcije čestica pomoću superkolidara poput LHC.
Supersimetrijom, wimps se uništavaju, stvarajući kaskadu čestica i zračenja, uključujući gama zrake srednje energije
Ne nalazeći ništa, mnogi su se znanstvenici odlučili odmaknuti od paradigme WIMP-a i potražiti tamnu materiju negdje drugdje. Jedna od takvih skupina kozmologa CERN i CP3-Origins iz Danske nedavno je objavila studiju koja pokazuje da je tamna tvar možda mnogo teža i slabija u interakciji nego što se prije mislilo.
Jedan od članova istraživačkog tima CP-3 Origins, dr. McCullen Sandora, govorio je o naporima svog tima:
Promotivni video:
“Još ne možemo isključiti WIMP scenarij, ali svake godine sumnjamo sve više i više nego što nismo vidjeli ništa. Uz to, uobičajena slaba razina fizike pati od problema s hijerarhijom. Nejasno je zašto su sve čestice koje poznajemo tako lagane, pogotovo ako pogledate prirodnu ljestvicu gravitacije, Planckovu ljestvicu, koja iznosi oko 1019 GeV. Dakle, da je tamna tvar bliža Planckovoj ljestvici, na nju ne bi utjecao problem hijerarhije, a to bi također objasnilo zašto nismo vidjeli potpise povezane s WIMP-ovima."
Koristeći novi model koji nazivaju Planckovim Interaktivnim tamnim materijama (PIDM), znanstvenici istražuju gornju granicu mase tamne tvari. Dok WIMP-ovi smještaju masu tamne tvari na gornji kraj elektroslabe ljestvice, danski istraživački tim Martiasa Garneya, McCullena Sandore i Martina Slota predložio je česticu s masom koja je u potpuno drugačijem prirodnom mjerilu - Planckovoj ljestvici.
Na Planckovoj skali jedna masena jedinica ekvivalentna je 2,17645 x 10-8 kilograma - oko mikrograma ili 1019 puta većoj od mase protona. Pri toj masi, svaki je PIDM u osnovi težak koliko i čestica može biti prije nego što postane minijaturna crna rupa. Skupina je također predložila da ove PIDM čestice u interakciji s običnom materijom djeluju samo gravitacijski, te da je puno njih nastalo u vrlo ranom svemiru tijekom ere jakog zagrijavanja - razdoblja koje je započelo na kraju inflatorne ere, negdje od 10-36 do 10- 33 ili 10-32 sekunde nakon Velikog praska.
Ovo se doba naziva tako jer se vjeruje da su tijekom inflacije temperature u svemiru pale 100 000 puta. Kad je inflacija završila, temperature su se vratile na svoju razinu prije inflacije (oko 1027 Kelvina). Do tada se većina potencijalne energije inflacijskog polja raspadala u čestice Standardnog modela, koje su ispunjavale Svemir, a među njima i tamnu materiju.
Naravno, nova teorija dolazi sa svojim udjelom posljedica za kozmologe. Na primjer, da bi ovaj model mogao raditi, temperatura epohe grijanja morala je biti viša nego što se trenutno vjerovalo. Štoviše, vruće razdoblje grijanja također bi stvorilo više primarnih gravitacijskih valova koji bi se odražavali u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini (CMB).
"Ova visoka temperatura govori nam dvije zanimljive stvari o inflaciji", kaže Sandora. - Ako je tamna tvar PIDM: prvo, inflacija se odvijala s vrlo visokim energijama, što bi proizvelo ne samo fluktuacije temperature ranog Svemira, već i samog prostora-vremena, u obliku gravitacijskih valova. Drugo, govori nam da bi se energija inflacije trebala izuzetno brzo raspadati u materiju, jer ako bi trebalo puno vremena, Svemir bi se mogao ohladiti do točke nakon koje više uopće neće moći proizvoditi PIDM.
Postojanje ovih gravitacijskih valova može se potvrditi ili isključiti u budućim istraživanjima kozmičke mikrovalne pozadine. Ovo je izuzetno zanimljiva vijest, jer se očekuje da će nedavno otkriće gravitacijskih valova obnoviti napore za otkrivanje iskonskih valova koji su ukorijenjeni u samom stvaranju svemira.
Kao što je Sandora objasnila, sve ovo predstavlja jasan win-win scenarij za znanstvenike, jer će najnoviji kandidat za tamnu tvar ili biti otkriven ili opovrgnut u bliskoj budućnosti.
„Naš scenarij čini željezno predviđanje: vidjet ćemo gravitacijske valove u sljedećoj generaciji eksperimenata s kozmičkom mikrovalnom pozadinom. Odnosno, ovo je win-win: ako ih vidimo, u redu je, a ako ih ne vidimo, tada ćemo znati da tamna tvar nije PIDM, što znači da moramo očekivati neku njezinu interakciju s običnom materijom. Ako se sve to dogodi u sljedećih deset godina, možemo samo nestrpljivo čekati."
Otkad je Jacobus Kaptein 1922. prvi put sugerirao postojanje tamne materije, znanstvenici su tražili izravne dokaze o njenom postojanju. Jedan po jedan, kandidati za čestice - od gravitinosa do aksiona - predloženi su, prikazani i ostavljeni u carstvu vječne potrage. Pa, ako je ovaj posljednji kandidat nedvosmisleno uskraćen ili potvrđen, ta opcija već nije loša.
Napokon, ako se potvrdi, riješit ćemo jednu od najvećih kozmoloških misterija svih vremena. Idemo korak bliže razumijevanju svemira i načina na koji njegove misteriozne sile međusobno djeluju.
