В течение длительного времени астрофизики наблюдают аномалию: скорость вращения галактик слишком высока для того объема видимой материи, который в них содержится. Согласно расчетам, гравитация обычных звезд и газа не могла бы удержать такие системы от разрушения. Это противоречие привело к гипотезе о существовании невидимой материи, обладающей массой, — так называемой темной материи.
Несмотря на многочисленные эксперименты, зафиксировать частицы темной материи до сих пор не удалось. Группа ученых, представляющих НИЯУ МИФИ, Южный федеральный университет (ЮФУ), Университет Тор Вергата (Италия) и Национальный институт ядерной физики Италии (INFN), предложили альтернативный подход к решению этой проблемы. Вместо поиска одной универсальной частицы они разработали концепцию «темной химии» и существования «темных атомов».
Согласно предлагаемой модели, темная материя состоит не из отдельных частиц, а из нейтральных «темных атомов». Эти атомы образуются в результате связи сверхтяжелой частицы (условно обозначенной X) с ядрами гелия. Исследователи отмечают, что в отличие от поиска гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), их гипотеза предполагает лишь одно ключевое отклонение от известной физики — существование стабильных многозарядных составляющих.
В рамках этой модели тяжелая частица Х компенсирует заряд ядра гелия, создавая устойчивую нейтральную структуру, напоминающую по принципу действия атом Томсона, где частица находится внутри ядра. Ученые объясняют, что предпочтение гелию, а не более распространенному водороду, связано с физическими условиями ранней Вселенной: из-за высокой температуры на стадии первичного нуклеосинтеза более легкие связи с водородом были нестабильны, и все частицы Х успели связаться именно с гелием.
Предложенная модель также пытается объяснить противоречия в данных экспериментов по поиску темной материи. Например, многолетние наблюдения детектора DAMA/LIBRA фиксируют сезонные колебания сигнала, в то время как более современные установки (такие как XENONnT) не обнаруживают ничего. Согласно расчетам российских ученых, это может быть связано со свойствами «темных атомов»: они способны прилипать к ядрам натрия (как в DAMA/LIBRA) с выделением энергии в регистрируемом диапазоне, но ведут себя иначе при взаимодействии с ксеноном (в XENONnT), где выделяемая энергия оказывается выше порога и воспринимается как обычный фон.
Авторы работы подчеркивают, что концепция «темной химии» не является фантастическим допущением, а основана на квантово-механических расчетах. По их мнению, ключевым экспериментальным подтверждением или опровержением гипотезы может стать поиск многозарядных стабильных частиц на Большом адронном коллайдере, что также имеет значение для развития ядерных технологий.
Читайте также: «Большой адронный коллайдер проведет последние испытания 11 июня».