Темная материя может скрываться в пятом измерении, считают физики
Ученые предложили, что темная материя и гипотетические темные фотоны находятся в скрытом пятом пространственном измерении, что объясняет отсутствие их прямого обнаружения.
Новая гипотеза о пятом измерении
Группа астрофизиков под руководством Ю‑Дая Цая опубликовала в журнале Physical Review D предположение, что темная материя и темные фотоны могут существовать в дополнительном, свернутом пятом измерении.
Идея опирается на концепцию Калуцы‑Клейна, разработанную в 1920‑х годах, согласно которой дополнительные измерения могут быть компактными и недоступными для наблюдения в обычных экспериментах.
В модели пятого измерения пространство‑время описывается метрикой, в которой дополнительный координатный параметр свернут до радиуса порядка планковской длины, что делает его недоступным для прямого наблюдения.
Механизм резонанса в 5‑мерном пространстве
Авторы вывели соотношение масс темного фотона и частицы темной материи из геометрических свойств пятого измерения, назвав его «резонанс темной материи».
В ранней Вселенной резонанс обеспечивал сильное взаимодействие между обычной и темной материей, что позволяло темной материи влиять на формирование крупномасштабных структур.
С расширением и охлаждением космоса взаимодействие резко ослабло, что согласуется с тем, что современные наземные детекторы не фиксируют прямых сигналов.
Авторы показали, что резонанс возникает при совпадении энергетических уровней в 5‑мерном пространстве, что приводит к усиленному обмену между темными фотонами и темной материей.
Согласно расчетам, в момент рекомбинации плотность темной материи могла достигать значений, достаточных для формирования потенциальных ям, в которых позже образовались галактики.
Экспериментальные проверки
Для поиска темных фотонов запущены несколько экспериментов:
- NA64, расположенный на базе CERN, использует электронные лучи для обнаружения слабых взаимодействий.
- HeRALD — проект, ориентированный на измерения редких процессов в кристаллических детекторах.
- Oscura — эксперимент, разрабатывающий новые методы регистрации низкоэнергетических частиц.
Эксперимент NA64 уже провел несколько раундов измерений, ограничив параметры взаимодействия темных фотонов с электронами до уровня 10⁻⁸, что соответствует предсказаниям модели.
Проекты HeRALD и Oscura находятся в стадии прототипирования, но их концепции основаны на использовании сверхчувствительных кристаллических сенсоров, способных регистрировать энергию в диапазоне от нескольких эВ до кэВ.
Все эти проекты стремятся зафиксировать сигналы, предсказанные пятимерной моделью.
Астрономические следы модели
Модель 5‑мерного резонанса объясняет наблюдаемый дефицитный количество карликовых галактик в окрестностях Млечного Пути и Андромеды, что противоречит предсказаниям стандартной ΛCDM‑модели без дополнительных факторов.
Альтернативные подходы, такие как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), пытаются объяснить эти аномалии изменением закона гравитации, однако последние данные космического телескопа Gaia и спутника Fermi поддерживают гипотезу о существовании темной материи.
Сравнительный анализ распределения карликовых галактик, выполненный с использованием данных Gaia, показывает, что наблюдаемые структуры лучше согласуются с предсказаниями пятимерного резонанса, чем с классической ΛCDM‑моделью.
Дополнительные наблюдения в гамма‑диапазоне, проведенные спутником Fermi, выявили аномальные сигналы, которые могут быть интерпретированы как следствия распада темных фотонов в ранней Вселенной.
Перспективы дальнейших исследований
Если экспериментальные результаты подтвердят наличие темных фотонов, это откроет новый путь к изучению структуры пространства‑времени и может потребовать пересмотра фундаментальных физических теорий.
Ученые планируют расширять диапазон энергий в текущих экспериментах и разрабатывать новые детекторы, способные фиксировать более слабые взаимодействия, предсказанные пятимерной моделью.
В случае подтверждения гипотезы, теоретики могут потребовать расширения стандартной модели частиц, включив в неё новые поля, связанные с пятой размерностью.
Кроме того, открытие пятого измерения может повлиять на понимание процессов инфляции и темной энергии, предлагая единый механизм для их описания.