Сразу две проблемы описания поведения темной материи решают модельные расчеты взаимодействия смешанных частиц, произведенные профессором Михаилом Медведевым из Университета Канзаса (США). Это проблема каспов - расхождения плотности холодной темной материи в центре гало, а также проблема несоответствия количества наблюдаемых темных гало тому, что сулит Космологическая Стандартная Модель.

Элементарные частицы в одном из приближений делятся на простые или однокомпонентные частицы, например, электрон, и на более сложные или смешанные, например, нейтрино. Когда рождается нейтрино, про него можно сразу сказать – родилось ли электронное, мюонное или тау-нейтрино. Но ответить на вопрос – какова масса родившейся частицы - гораздо сложнее. Нейтрино невозможно приписать определенную массу, она выражается в вероятностном соотношении трех массовых состояний. Идею комбинированных нейтрино и их осцилляций (превращений из одного в другое) предложил в 50х годах советский физик итальянского происхождения Бруно Понтекорво.

«Смешанные частицы представляют собой комбинацию нескольких массовых состояний, так как их поведение описывается волновой функцией. Представим, что у нас есть оси х и у, в одном случае частица имеет одну массу, и она отложена по одной оси, в другом случае – другую, которая откладывается по другой оси. Так происходит и в случае с нейтрино», - комментирует Михаил Медведев.

В целом масса нейтрино очень мала, поэтому они всегда рождаются релятивистскими. При этом практически все аналитические задачи о поведении нейтрино и других частиц подобного типа, когда они движутся с релятивистскими скоростями, уже решены. Но вопросом, что будет, если нейтрино или какая-то другая смешанная частица будет двигаться со скоростями много меньше скорости света, никто не задавался.

Михаил Медведев: «В этом случае массовые состояния будут двигаться с разной скоростью и физически друг от друга разбегутся. И если в то время, когда эти состояния находятся в разных местах, произойдет взаимодействие, например, рассеяние в результате столкновения с другой частицей, то вследствие него создадутся все три состояния. То есть произойдет конверсия из одного состояния во все остальные».

Так происходит потому, что в результате взаимодействия волновая функция частицы переходит из массового состояния в состояние с определенным «ароматом», как если бы рождалась новая частица, (в случае нейтрино «аромат» определяется тем, какое это нейтрино - электронное, тау- или мюонное) – а это снова три массовых состояния. И путем последовательных столкновений - «рассеять - подождать пока разбегутся» - можно полностью изменить начальный набор массовых состояний.
Логическое продолжение полученного вывода следующее. Дело в том, что многие кандидаты в частицы темной материи являются смешанными. Например, нейтралино – смесь четырех составляющих (зино, фотино и двух типов хиггсино), есть и другие, более экзотические примеры. И если частицы темной материи хоть немного друг с другом сталкиваются, то картина крупномасштабной структуры Вселенной несколько изменится.

«Все, что находится на больших масштабах - галактики, их скопления, большие филаменты, которые любят изображать на картинках, все это останется на месте. Изменится структура Вселенной на очень маленьких масштабах - порядка килопарсека. И эти изменения вполне могут решить основные на сегодняшний день проблемы холодной темной материи», - делится профессор Медведев.

Первая проблема связана с тем, что согласно Космологической Стандартной модели, количество темных гало (а конкретно, темных гало малой массы), то есть гравитационно-связанных комков, которые являются основой для формирования карликовых галактик, примерно в 30 раз больше, чем может быть идентифицировано на сегодняшний день. Если частицы темной материи как минимум двухкомпонентны, и при этом возможны их столкновения, то теоретическое количество темных гало значительно уменьшается, приближаясь к наблюдаемому.

Сравнение профилей плотностей 100 гало темной материи, полученных исходя из модели холодной темной материи (слева), и холодной двухкомпонентной темной материи (справа). Видно, что профили плотности в центре гало на правом графике более плоские, т.е. практически не содержат каспов.

Вторая проблема носит название проблемы каспов. Она заключается в том, что согласно расчетам, плотность темной материи в центре гало стремится к бесконечности, образуя на соответствующем графике так называемый касп (от англ. cusp — острый выступ), в то время как во Вселенной каспы не обнаруживаются. В случае со столкновительной многокомпонентной темной материей профиль плотности центра галактик получается значительно более плоским.

Распределение гало темной материи по максимально возможным в них скоростям вращения (такие скорости характеризуют размер и массу темных гало). Черная кривая соответствует стандартной модели однокомпонентной холодной темной материи, синяя – двухкомпонентной. Розовые точки – количество наблюдаемых карликовых галактик в так называемой Местной Группе – группе галактик ¬- ближайших соседей нашей галактики Млечный Путь.

О решении проблем описания поведения холодной темной материи профессор Михаил Медведев рассказал во время Гинзбурговской конференции по физике, которая прошла в ФИАНе с 28 мая по 2 июня 2012 года.

АНИ «ФИАН-информ»