Темна матерія залишається однією з найбільших загадок сучасної фізики. Вчені впевнені, що вона існує, оскільки без неї багато спостережуваних явищ у Всесвіті неможливо пояснити. Проте досі ніхто не зміг безпосередньо виявити частинки, з яких вона складається.
Нове теоретичне дослідження пропонує незвичайне пояснення: можливо, темна матерія пов’язана з п’ятим виміром — не у вигляді фізичного «порталу», а через особливе поле, яке може з’єднувати наш відомий світ із прихованим сектором частинок.
Пошук відповіді за межами Стандартної моделі
Сучасна фізика елементарних частинок базується на Стандартній моделі — теорії, яка надзвичайно точно описує більшість відомих частинок і їхню взаємодію. Однак ця модель має серйозні прогалини.
Однією з найбільших проблем є питання темної матерії. За сучасними оцінками, звичайна речовина, з якої складаються зорі, планети, люди та всі знайомі нам об’єкти, становить лише невелику частину матерії Всесвіту. Значна більшість припадає на невидиму субстанцію, яку вчені називають темною матерією.
Вона не випромінює світло і майже не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням, тому її неможливо побачити безпосередньо. Проте її гравітаційний вплив помітний: саме вона допомагає пояснити рух галактик, формування космічних структур та інші явища.
«Міст» між нашим світом і прихованими частинками
Ідея використання додаткових вимірів у фізиці не є новою. Вона бере початок із теорій, які передбачають існування викривлених додаткових вимірів. Однією з найвідоміших стала модель Рендалл—Сандрама, запропонована у 1999 році.
У дослідженні, опублікованому в журналі The European Physical Journal C у 2021 році, вчені використали подібний підхід для пояснення природи темної матерії.
За їхньою моделлю, у п’ятому вимірі можуть існувати приховані частинки, які не взаємодіють із нашою матерією напряму. Зв’язок між цими двома світами забезпечує спеціальне скалярне поле — своєрідний «портал», який може взаємодіяти з полем Хіггса.
Важливо, що цей «портал» не є реальною брамою або проходом у просторі. Йдеться про математичний механізм, який описує можливий зв’язок між відомими фізикам частинками та невидимим сектором Всесвіту.
Як п’ятий вимір може пояснити темну матерію
У запропонованій моделі ферміони — частинки, до яких належать, наприклад, електрони та кварки — можуть поширюватися у п’ятивимірному викривленому просторі.
Додаткове скалярне поле виконує роль посередника: воно змішується з полем Хіггса та дозволяє прихованим частинкам взаємодіяти з нашим світом. Дослідники перевірили, чи може така система створити необхідну кількість темної матерії, не суперечачи вже відомим експериментальним даним.
Результат показав, що така модель теоретично може бути одним із кандидатів на пояснення природи темної матерії — хоча поки що це лише гіпотеза.
Чому вчені шукають нову фізику
Темна матерія — не єдина проблема Стандартної моделі. Фізиків також давно цікавить так званий ієрархічний парадокс: чому маса бозона Хіггса значно менша за характерний масштаб гравітації.
Дослідники зазначають, що відсутність кандидата на роль темної матерії всередині Стандартної моделі сама по собі вказує на необхідність нової фізики. Саме тому теорії з додатковими вимірами залишаються привабливим напрямком. Вони можуть запропонувати пояснення явищ, які поки що не вкладаються у сучасну картину Всесвіту.
Як перевірятимуть цю теорію
Перевірка таких моделей відбувається не через пошук «входу» у п’ятий вимір, а за допомогою високоточних експериментів із частинками. Один із головних напрямків — дослідження властивостей бозона Хіггса. Якщо скалярний портал справді існує, він може змінювати спосіб взаємодії Хіггса з іншими частинками або навіть спричиняти появу невидимих розпадів, які неможливо зафіксувати напряму.
Також учені використовують експерименти прямого виявлення темної матерії, у яких шукають можливі зіткнення невидимих частинок із ядрами звичайної речовини.
Поки що результати таких пошуків не дали остаточного підтвердження жодної моделі. Нові аналізи експериментів на великих прискорювачах, зокрема дослідження параметрів бозона Хіггса, продовжують звужувати коло можливих варіантів.
П’ятий вимір залишається гіпотезою
Попри захопливу назву, вчені не знайшли прямого доказу існування п’ятого виміру. Йдеться лише про теоретичну модель, яка може допомогти пояснити одну з найбільших загадок космології.
Втім, такі дослідження демонструють, наскільки далеко сучасна фізика готова зайти у пошуках відповідей. Додаткові виміри, приховані частинки та нові сили взаємодії можуть стати частиною майбутньої теорії, яка об’єднає відомі закони природи з явищами, які сьогодні залишаються невидимими.
Темна матерія поки що ховається від наших приладів, але пошук її природи поступово відкриває нові можливості для розуміння самого устрою Всесвіту.
