Postoje pouzdani dokazi da je većina materije u našem univerzumu tamna i da je ne može opisati Standardni model fizike čestica. Postojanja tamne materije je neupitno jer potiče iz astrofizičkih i kosmoloških posmatranja izvršenih u različitim razmerama i epohama našeg univerzumu. Na primer, pozadinsko mikrotalasno zračenje ili rotacije galaksije uključuje veoma različitu fiziku i periode u evoluciji našeg univerzuma, ali oboje zahteva da se oko 75% sadržaja materije univerzuma sastoji od hladne, nebarionske, tamne materije.

Slika 1. Pozadinsko mikrotalasno zračenje naučnicima govori o postojanu tamne materije

Sa teorijske tačke gledišta, vrlo je malo poznato o prirodi tamne materije. Znamo da u Standardnom modelu fizike čestica ne postoji prihvatljiva čestica kandidat. U osnovi postoje tri različita pristupa. Prvi pristup sastoji se u uvođenju nove čestice koja je dovoljno stabilna tokom života univerzuma koja se u krajnjem slučaju izuzetno slabo ulazi u spregu sa fotonom tako da ostaje dovoljno taman. Drugi se sastoji u modifikovanju gravitacije, ali je teško konstruisati odgovarajući model, pa čak i kada bi se uspelo, smatra se da je ovaj pristup identičan prvom jer je novo polje gravitaciono povezano sa česticama Standardnog modela. Konačno, moglo bi se nadati da neki masivni astrofizički kompaktni halo objekti, poput iskonskih crnih rupa, mogu objasniti materiju koja nedostaje bez potrebe za modifikovanjem standardnog modela ili opšte relativnosti. Ali, ovo rešenje problema tamne materije, iako prelepo i jednostavno jer ne zahteva novu fiziku izvan Standardnog modela ili Opšte relativnosti, izgleda da nije relevantno.

Ako prihvatimo da je za rešavanje problema nedostajuće materije potrebna nova fizika, suočeni smo sa velikim teorijskim izazovom jer imamo vrlo malo informacija o prirodi čestica ili čestica tamne materije. Ne znamo njihovu rotaciju, masu, samo-interakciju ili spajanje sa česticama Standardnog modela. Čini se da simulacije formiranja galaksija preferiraju hladnu, tj. nerelativističku, tamnu materiju.

Slika 2. Rotacija galaksije naučnicima ukazuje na postojanje tamne materija. Galaksija NGC1232.

Novi proračuni kvantne gravitacije govore nam o donjoj i gornjoj granici masa kandidata za tamnu materije. Ove granice zavise od spinova kandidata za tamnu materije i prirode interakcija tamne materije. Donja granica dolazi iz ograničenja interakcija tipa pete sile, a gornja granica iz životnog veka kandidata tamne materije. Rezultati su iznenađujući jer sužavaju drastično sadašnju procenu veličine mase koja je između 10^minus 24 elektrovolta (eV) i 10^19 Gigaelektron volti (GeV), na opseg između 10^minus 3 eV i 10^7eV, što je milijardu miljardi puta manje.

Nalazi bi mogli pomoći lovcima na tamnu materije da usredsrede svoje napore na naznačeni raspon masa - ili bi mogli da otkriju da do sada nama nepoznata sila deluje u svemiru, rekao je Xavier Calmet, profesor fizike i astronomije sa Univerziteta u Saseksu, Velika Britanija.

Izvor: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269321000083

VRT FIZIKE: Tamna materija, najveća tajna našeg doba

Tamna energija i tamna materija - najveće misterije astronomije