Standardni model kosmologije govori nam da je samo 4,9% svemira sačinjeno od obične materije (tj. One koju možemo vidjeti), dok se ostatak sastoji od 26,8% tamne materije i 68,3% tamne energije. Kao što bi imena sugerirala, ne možemo ih vidjeti, pa je njihovo postojanje moralo zaključiti na temelju teorijskih modela, opažanja velike strukture Svemira i njegovih prividnih gravitacijskih utjecaja na vidljivu tvar.
Otkako je prvi put predložen, nije nedostajalo prijedloga kako izgledaju čestice Dark Matter-a. Nedavno su mnogi znanstvenici predložili da se Tamna materija sastoji od slabo interaktivnih masivnih čestica (WIMP), koje su oko 100 puta veće od mase protona, ali međusobno djeluju poput neutrina. Međutim, svi pokušaji pronalaska WIMP-a pomoću pokusa sudara postali su prazni. Kao takvi, znanstvenici u posljednje vrijeme istražuju ideju da se tamna tvar u potpunosti sastoji od nečeg drugog.
Trenutačni kozmološki modeli imaju tendenciju pretpostaviti da je masa tamne materije oko 100 Gev (giga-elektrovolti), što odgovara ljestvici mase mnogih drugih čestica koje djeluju slabom nuklearnom silom. Postojanje takve čestice bilo bi u skladu s super-simetričnim nastavcima Standardnog modela fizike čestica. Dalje se vjeruje da bi takve čestice bile proizvedene u vrućem, gustom, ranom Svemiru, s gustoćom mase koja je ostala dosljedna do danas.
Međutim, kontinuirani eksperimentalni napori na otkrivanju WIMP-a nisu uspjeli stvoriti nikakve konkretne dokaze o tim česticama. Oni uključuju potragu za proizvodima uništavanja WIMP-a (tj. Gama, neutrina i kozmičkih zraka) u obližnjim galaksijama i klasterima, kao i izravne eksperimente detekcije pomoću superkolijara, poput CERN-ovog velikog hadronskog sudarača (LHC) u Švicarskoj.
Zbog toga su mnogi istraživački timovi počeli razmišljati o onome što vidi paradigmu WIMP-a kako bi pronašli Dark Matter. Jedan takav tim čini skupina kozmologa iz CERN-a i CP3-Origins iz Danske, koji su nedavno objavili studiju u kojoj su pokazali da bi Dark Matter mogao biti puno teži i manje interaktivan nego što se mislilo.
Kao što je dr. McCullen Sandora, jedan od članova istraživačkog tima iz CP-3 Origins, rekao za Space Magazine e-poštom:
"Još ne možemo isključiti scenarij WIMP-a, ali sa svakom godinom postaje sve više i više sumnjamo da nismo ništa vidjeli. Pored toga, uobičajena fizika slabog razmjera pati od hijerarhijskog problema. Zbog toga su sve čestice o kojima znamo toliko lagane, posebno u pogledu prirodne skale gravitacije, Planckove skale, koja iznosi oko 1019 GeV. Dakle, da je tamna tvar bliža Planckovoj ljestvici, to ne bi pogodilo hijerarhijski problem, a to bi ujedno objasnilo zašto nismo vidjeli potpise povezane s WIMP-om. "
Pomoću novog modela koji nazivaju Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), tim je istraživao gornju granicu mase tamne materije. Dok WIMP mase tamne materije postavljaju na gornju granicu skale elektro slaba, danski istraživački tim Marthias Garny, McCullen Sandora i Martin S. Sloth predložio je česticu s masom koja je u potpunosti druga prirodna ljestvica - Planckova skala.
Na Planckovoj skali jedna jedinica mase jednaka je 2.17645 × 10-8 kg - otprilike mikrogram, ili 1019 puta veća od mase protona. Pri toj masi, svaki PIDM je u osnovi toliko težak koliko čestica može biti prije nego što postane minijaturna crna rupa. Tim također teoretizira da ove PIDM čestice komuniciraju s običnom materijom samo putem gravitacije i da se veliki broj njih formirao u vrlo ranom Svemiru tijekom epohe „ponovnog zagrijavanja“ - razdoblja koje se dogodilo na kraju inflatorne epohe, nekih 10-36 t0 10-33 ili 10-32 sekundi nakon Velikog praska.
Ova je epoha tako nazvana, jer se tijekom inflacije vjeruje da su se kosmičke temperature smanjile za faktor 100 000 ili nešto više. Kad je inflacija završila, temperature su se vratile na svoju pretinflatornu temperaturu (procijenjena 1027 K). U ovom se trenutku velika potencijalna energija polja inflacije raspadala u čestice Standardnog modela koji su napunili Svemir, a koji bi uključivao i Dark Matter.
Naravno, ova nova teorija dolazi sa svojim udjelom na implikacije na kozmologe. Na primjer, da bi ovaj model djelovao, temperatura epohe za ponovno zagrijavanje trebala bi biti viša nego što se trenutno pretpostavlja. Štoviše, toplije razdoblje zagrijavanja također bi rezultiralo stvaranjem primordijalnih gravitacijskih valova, koji bi bili vidljivi u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini (CMB).
"Imajući tako visoku temperaturu, govori nam o dvije zanimljivosti o inflaciji", kaže Sandora. "Ako se pokaže da je tamna tvar PIDM: prva je da se inflacija dogodila s vrlo visokom energijom, što zauzvrat znači da je mogla proizvesti ne samo fluktuacije temperature ranog svemira, već i samog prostora, u obliku gravitacijskih valova. Drugo, govori nam da je energija inflacije morala brzo propadati u materiju, jer da je sve predugo trajalo, svemir bi se ohladio do točke kad uopće ne bi mogao proizvesti bilo koji PIDM. "
Postojanje ovih gravitacijskih valova moglo bi se potvrditi ili isključiti budućim studijama koje uključuju kozmičku mikrovalnu pozadinu (CMB). Ovo je uzbudljiva vijest, jer se očekuje da će nedavno otkriće gravitacijskih valova dovesti do ponovnih pokušaja otkrivanja primordijalnih valova koji potiču od samog stvaranja Svemira.
Kao što je Sandora objasnio, ovo predstavlja dobitni scenarij za znanstvenike, jer znači da će ovaj najnoviji kandidat za Dark Matter biti u mogućnosti dokazati ili osporiti u skoroj budućnosti.
„[O] ur scenarij daje konkretno predviđanje: vidjet ćemo gravitacijske valove u sljedećim eksperimentima kozmičkih mikrovalnih pozadina. Stoga je scenarij bez gubitka: ako ih vidimo, to je sjajno, a ako ih ne vidimo, znat ćemo da tamna tvar nije PIDM, što će značiti da znamo da mora imati neke dodatne interakcije s običnom materijom. I sve će se to dogoditi u narednom desetljeću ili tako većem broju, što nam daje puno toga čemu se možemo veseliti. "
Otkako je Jacobus Kapteyn prvi put predložio postojanje Mračne materije 1922., znanstvenici su tražili neke izravne dokaze o njegovom postojanju. I jedna po jedna, kandidatske čestice - u rasponu od gravitinosa i MACHOS-a do osovina - predložene su, izvagane i željele su. Ako ništa drugo, dobro je znati da se postojanje ove najnovije čestice kandidata može u skoroj budućnosti dokazati ili isključiti.
A ako se dokaže da je točna, riješit ćemo jednu od najvećih kozmoloških misterija svih vremena! Korak bliže istinskom razumijevanju Univerzuma i načinu na koji njegove misteriozne sile djeluju. Teorija svega, evo nas (ili ne)!
