Новая частица связывает темную материю с отсутствующей антиматерией.

Физики в США и Канаде предложили новую частицу, которая могла бы раскрыть две важные тайны современной физики: что такое темная материя и почему во вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии.

Еще не обнаруженная "Х" частица, как ожидается, распадается в основном на нормальную материю, тогда как её античастица, распадается в основном на "скрытую" антиматерию. Команда утверждает, что ее существование в ранней Вселенной могло бы объяснить, почему во Вселенной существует больше материи, чем антиматерии и то, что темная материя, на самом деле, является скрытой антиматерией.

Темная материя представляет собой таинственное вещество, которое составляет около 80% материи во вселенной. Хотя её существование обнаруживается по её гравитационному притяжения к обычной материи, физики до сих пор не обнаружили её непосредственно и поэтому не знают, из чего оно состоит. С другой стороны, антивещество легко создавать и изучать в лаборатории. Однако, Стандартная Модель физики частиц не может объяснить, почему антиматерии так мало во Вселенной, где доминирует материя - это тайна, которую физики называют барионной асимметрией.

Гипотетическая и скрытая

Hooman Davoudiasl из Брукхейвенской национальной лаборатории и его коллеги из TRIUMF и Университета Британской Колумбии предложили новую частицу, названную X, которая могла бы решить обе эти загадки. X имеет массу около 1000 ГэВ - это примерно в тысячу раз тяжелее протона. Эта частица может распадаться на нейтрон или на две гипотетические скрытые частицы, называемые Y и Ф. Обе скрытые частицы должны иметь массы около 2-3 ГэВ. Её античастица, анти-X, распадается на антинейтрон или на пару: анти-Y и анти-Ф.

Физики уже пытались объяснить барионную асимметрию, ссылаясь на нарушение симметрии зарядовой четности (CP) - в результате чего распадающиеся частицы с большей вероятноcтью дают материю, чем антиматерию. СР-нарушение наблюдается в лаборатории, но предпочтение для материи в процессах с СР-нарушением слишком мало, при учете доли всего вещества во Вселенной.

X также нарушает СР-инвариантность, но таким образом, что автор Kris Sigurdson из Университета Британской Колумбии назвал картину его распада -"йин янг". Хотя распады X на нейтроны происходят чаще, чем распады анти-X на антинейтроны, всё уравновешивается тем, что частица анти-X распадается чаще на частицы анти-Y и анти-Ф, чем на Y и Ф. Когда в ранней Вселенной почти все частицы аннигилируют с доступными античастицами, эти различия оставляют кусок видимой материи и тяжелый кусок темной материи, которые и формируют космос.

Взгляд на распад протонов

Команда также размышляет над тем, как могут быть обнаружены частицы анти-Y и анти-Ф . В отличие от слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs) - которые доминируют во многих теориях темной материи - анти-Y и анти-Ф не аннигилируют друг с другом. Однако, античастицы должны заставлять протоны распадаться, что запрещено Стандартной Моделью. Если частица анти-Y сталкивается с протоном, например, виртуальное взаимодействие с частицей X может разломать протон на части, превращая его в положительно заряженный каон, и превращая частицу анти-Y в частицу Ф.

Детектор, ищущий распады протонов, такой, как SuperKamiokande в шахте Камиока в Японии, может обнаружить каон. Каоны, получаемые таким путем, будут иметь гораздо более высокие энергии, чем порожденные протонными распадами, разрешенными другими теориями, которые выходят за рамки Стандартной модели. Хотя протоны, как ожидается, будут достаточно устойчивыми к этому процессу распада, Sigurdson говорит: "Этот сценарий может быть на границе обнаружения."

"Похоже, очень интересная модель", говорит Дэн Хупер из лаборатории Ферми. Хотя по крайней мере еще три модели, связывающие получение темной материи с барионной асимметрией, находятся в разработке, он говорит, что сигнатура протонного распада ставит этот сценарий в особое положение.

Руководствуясь экспериментом

Мэтью Бакли из лаборатории Ферми говорит, что есть неожиданный интерес в связывании темной материи с барионной асимметрией из-за недавних экспериментов, которые пытались (безуспешно) обнаружить темную материю. Хотя WIMP модели предпочитают частицы темной материи с массами около 100 ГэВ, эксперименты показывают, что частицы темной материи имеют массы ближе к 7 или 8 ГэВ.

При такой маленькой массе "определенно, что WIMP не может быть нужной частицей", говорит Бакли. Однако, темная материя, которая также объясняет барионную асимметрию, кажется, находится в большем соответствии с недавними экспериментальными результатами - и именно поэтому Бакли считает, что эта идея заслуживает дальнейшего изучения.

Работа в Phys. Rev. Lett. 105 211304.

Аннотация Phys. Rev. Lett. 105 211304:

Унифицированное происхождение барионной видимой материи и антибарионной темной материи

Мы представляем новый механизм образования барионной и темной материи во Вселенной. Новый фермион Дирака X, несущий заряд сохраняемого барионного числа, взаимодействует с кварками Стандартной Модели, а также со скрытым сектором ГэВ-масштаба. СР-нарушающие распады X, получаемые нетермально при низкотемпературном повторяющемся разогреве, изолируют антибарионное число в скрытом секторе, тем самым создавая избыток барионов в видимом секторе. Антибарионные скрытые состояния образуют стабильную темную материю. Особое значение этого механизма заключается в уничтожающем барионы неупругом рассеянии темной материи, которая может аннигилировать барионы с заметными темпами, соответствующими поискам распада нуклона.