Kosmoloogia standardmudel ütleb meile, et ainult 4,9% universumist koosneb tavalisest ainest (sellest, mida me näeme), ülejäänud osa on tumeaine 26,8% ja pime 68,3% energia. Nagu nende mõistete nimigi ütleb, ei saa me neid näha, seega peaks nende olemasolu tulema teoreetilistest mudelitest, Universumi suuremahulise struktuuri vaatlustest ja ilmsetest gravitatsioonilistest mõjudest, mis avalduvad nähtaval ainel.
Alates sellest, kui sellest esimest korda räägiti, pole kindlasti olnud puudust spekulatsioonidest selle üle, kuidas tumeaine osakesed välja näevad. Mitte nii kaua aega tagasi hakkasid paljud teadlased arvama, et tumeaine koosneb nõrgalt interakteeruvatest massiivsetest osakestest (WIMP, WIMP), mis on umbes 100 korda suurem prootoni massist, kuid suhtlevad nagu neutriinod. Sellest hoolimata pole kõik katsed osakeste kiirendi eksperimentide abil WIMP-sid leida. Seepärast hakkasid teadlased sorteerima tumeaine koostise võimalikke alternatiive.
Kaasaegsed kosmoloogilised mudelid kalduvad eeldama, et tumeaine mass jääb 100 GeV piiresse (gigaelektronvolt), mis vastab paljude teiste nõrga tuumajõu abil interakteeruvate osakeste massipiiridele. Sellise osakese olemasolu vastaks osakeste füüsika standardmudeli supersümmeetrilisele laiendusele. Lisaks arvatakse, et sellised osakesed oleksid pidanud sündima kuumas, tihedas, varajases universumis koos aine massitihedusega, mis on püsinud muutumatuna tänapäevani.
Kuid käimasolevad katsed WIMP-de tuvastamiseks ei ole leidnud konkreetseid tõendeid selliste osakeste olemasolu kohta. Need hõlmasid WIMP-i hävitamisproduktide (gammakiired, neutriinod ja kosmilised kiired) otsimist lähedal asuvatest galaktikatest ja klastritest, samuti otseseid osakeste detekteerimiskatseid, kasutades superkristalle nagu LHC.
Ülisümmeetriliselt hävivad vimpid omavahel, tekitades osakeste ja kiirguse kaskaadi, sealhulgas keskmise energiaga gammakiired
Leidmata midagi, otsustasid paljud teadlased WIMP-i paradigmast eemalduda ja otsida tumeainet mujalt. Üks selline kosmoloogide rühm CERN ja CP3-Origins Taanis avaldas hiljuti uuringu, mis näitas, et tumeaine võib olla palju raskem ja nõrgem suhelda, kui seni arvati.
Üks CP-3 Originsi uurimisrühma liikmetest dr McCullen Sandora rääkis oma meeskonna pingutustest:
Reklaamvideo:
"Me ei saa veel välistada WIMPi stsenaariumi, kuid igal aastal kahtlustame üha enam, kui pole midagi näinud. Lisaks kannatab tavaline nõrk füüsika skaala hierarhiaprobleemi all. On ebaselge, miks kõik meile teada olevad osakesed on nii kerged, eriti kui vaadata looduslikku raskusskaalat, Plancki skaalat, mis on umbes 1019 GeV. Nii et kui tumeaine oleks Plancki skaalale lähemal, ei mõjutaks hierarhia probleem seda ja see selgitaks ka seda, miks me pole WIMP-idega seotud allkirju näinud."
Kasutades uut mudelit, mida nad nimetavad Plancki pimedaks aineks (Interacting Dark Matter), uurivad teadlased tumeaine massi ülemist piiri. Kui WIMP-id paigutavad tumeaine massi elektrivoolu skaala ülemisse otsa, siis Taani uurimisrühm Martias Garney, McCullen Sandora ja Martin Slot pakkus välja osakese, mille mass on täiesti erinevas looduslikus skaalas - Planckian.
Plancki skaalal võrdub üks massiühik 2,17645 x 10-8 kilogrammiga - umbes mikrogramm ehk 1019 korda suurem prootoni massist. Selles massis on iga PIDM enne miniatuurseks mustaks aukuks saamist sisuliselt sama raske kui osake olla võib. Samuti soovitas rühm, et need PIDM-osakesed suhtlevad tavalise ainega ainult gravitatsiooniliselt ja et paljud neist tekkisid väga varases universumis tugeva kuumutamise ajastul - perioodil, mis algas inflatsiooniajastu lõpus, kuskil 10-36 kuni 10- 33 või 10–32 sekundit pärast Suurt Pauku.
Seda ajastut nimetatakse nii seetõttu, et inflatsiooni ajal arvatakse, et kosmose temperatuur on langenud 100 000 korda. Kui inflatsioon lõppes, taastusid temperatuurid inflatsioonielsele tasemele (umbes 1027 kelvinit). Selleks ajaks on suurem osa inflatsioonivälja potentsiaalsest energiast lagunenud Standardmudeli osakesteks, mis täitis Universumi ja nende hulgas ka tumeaine.
Loomulikult kaasneb uue teooriaga oma osa tagajärgedest kosmoloogidele. Näiteks selle mudeli töötamiseks pidi kütteperioodi temperatuur olema kõrgem kui praegu arvatakse. Pealegi tekitaks kuumem kuumutusperiood ka rohkem primaarseid gravitatsioonilaineid, mis kajastuksid kosmilises mikrolaineahjus (CMB).
"See kõrge temperatuur räägib inflatsiooni kohta kaks huvitavat," ütleb Sandora. - Kui tumeaine on PIDM: esiteks kulges inflatsioon väga suurte energiatega, mis ei tooks gravitatsioonilainete kujul mitte ainult varase Universumi temperatuuri kõikumisi, vaid ka aegruumi ennast. Teiseks ütleb see meile, et inflatsiooni energia oleks pidanud mateeriasse lagunema ülikiiresti, sest kui see võtab kaua aega, võib Universum jahtuda sinnamaani, et pärast seda ei oleks ta enam võimeline PIDM-i tootma.
Nende gravitatsioonilainete olemasolu saab kinnitada või välistada kosmilise mikrolaineausta tulevastes uuringutes. See on äärmiselt põnev uudis, kuna hiljutine gravitatsioonilainete avastamine toob eeldatavasti kaasa uusi jõupingutusi universumi loomises juurdunud ürglainete avastamiseks.
Nagu Sandora selgitas, kujutab see kõik teadlastele selget võidukäiku, sest uusim tumeaine kandidaat avastatakse või lükatakse ümber lähitulevikus.
„Meie stsenaarium teeb raudse ennustuse: kosmilise mikrolainete taustaga eksperimentide järgmises põlvkonnas näeme gravitatsioonilaineid. See tähendab, et see on võit: kui me neid näeme, on see suurepärane ja kui me neid ei näe, siis teame, et tume aine ei ole PIDM, millest järeldub, et peame ootama mõningast selle koostoimet tavalise ainega. Kui see kõik juhtub järgmise kümne aasta jooksul, võime ainult kannatamatult oodata."
Alates sellest, kui Jacobus Kaptein 1922. aastal esimest korda tumeaine olemasolu soovitas, on teadlased otsinud selle olemasolu kohta otseseid tõendeid. Üksteise järel pakuti välja kandidaate osakestest - alates gravitinost kuni akssioonideni -, need sõeluti välja ja läksid igaveste otsingute valdkonda. Noh, kui see viimane kandidaat üheselt tagasi lükatakse või kinnitatakse, pole see valik juba halb.
Lõppude lõpuks, kui see saab kinnitust, lahendame kõigi aegade ühe suurima kosmoloogilise saladuse. Läheme ühe sammu lähemale universumi mõistmisele ja sellele, kuidas selle salapärased jõud omavahel suhtlevad.
