Галактики вращаются слишком быстро. Если бы существовала только видимая материя — звёзды, газ, пыль, — гравитация давно разорвала бы их. Значит, есть нечто невидимое, обладающее массой. Эту загадку назвали тёмной материей. Десятки лет физики охотились за одной частицей — тяжелой, слабо взаимодействующей. Её не нашли. Эксперименты на Большом адронном коллайдере не дали результата, подземные детекторы молчат. Российские учёные из НИЯУ МИФИ вместе с коллегами из Южного федерального университета, Италии и Франции предложили иной подход: не одну частицу, а целую «тёмную химию» — «периодическую таблицу» для невидимой Вселенной. По их модели, тёмная материя состоит из «тёмных атомов» со своими «электронами», «протонами» и «тёмным фотоном». Такая сложная структура, считают физики, одновременно объясняет и «позитронную аномалию», которую больше десяти лет фиксирует детектор AMS на МКС, и загадочный сигнал итальянского детектора DAMA/LIBRA, который не могут подтвердить другие установки. Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда и Минобрнауки.
Основная гипотеза последних десятилетий — тёмная материя состоит из массивных слабовзаимодействующих частиц (WIMP). Их искали на ускорителях, в глубоких шахтах, в космосе. Результата нет. Кризис заставил физиков искать альтернативы. Одна из них — «тёмная химия», предложенная профессором МИФИ Максимом Хлоповым и его коллегами.
Идея в том, что в тёмном секторе есть своя сложная структура. Тяжёлая частица X с огромным отрицательным зарядом захватывает лёгкие ядра обычного вещества (например, гелия). Рождается нейтральный «тёмный атом», который ведёт себя как холодная невидимая материя. В ранней Вселенной эти частицы объединялись подобно тому, как в обычной плазме электроны и протоны рекомбинируют в атомы водорода. В статье, посвящённой трёхчастичной рекомбинации, авторы показали, что этот механизм может работать гораздо эффективнее, чем считалось ранее.
Расчёты показывают: если «тёмный заряд» достаточно велик, то к сегодняшнему дню почти вся тёмная материя превратилась в нейтральные «тёмные атомы» с небольшой ионизированной фракцией. Именно эта двухкомпонентность помогает объяснить два космических феномена.
Первое — «позитронная аномалия». Детектор AMS на МКС больше десяти лет фиксирует избыток антиэлектронов, прилетающих из глубин космоса. Распад частиц тёмной материи мог бы это объяснить, но тогда астрономы должны были бы видеть и гамма-излучение, которого нет. В модели «тёмных атомов» ионизированная часть тёмной плазмы сосредоточена в диске Галактики (как и обычное вещество) и, распадаясь, рождает позитроны. А нейтральные «тёмные атомы» образуют огромное гало, которое в гамма-диапазоне не светит.
Второе — многолетняя аномалия итальянского детектора DAMA/LIBRA, который видит сезонные колебания сигнала в кристалле йодида натрия. Физики МИФИ предположили, что это следы «тёмных атомов» гелия, пролетающих сквозь Землю. В отличие от одиночных частиц, «тёмный атом» — большой и тяжёлый объект массой до 11 ТэВ (тяжелее ядра свинца). Пролетая сквозь горную породу, он тормозится до тепловых скоростей, диффундирует к центру Земли и может «прилипнуть» к ядру натрия, испустив фотон с энергией в диапазоне 1–6 кэВ. Сигнал должен колебаться с годовым периодом (Земля то движется навстречу потоку тёмной материи, то убегает от него), что идеально совпадает с тем, что двадцать лет видит DAMA. И он должен быть максимальным для лёгких ядер (натрий) и подавленным для тяжёлых (ксенон). Это объясняет, почему аномалию видят одни установки, но не видят другие, работающие на жидком ксеноне.
Авторы концепции продолжают работу. Сейчас они разрабатывают квантово-механические модели, которые точно опишут, как «тёмный атом» связывается с обычным веществом, и ищут параметры, при которых модель будет соответствовать всем накопленным данным.
