CC BY
0
УДК 524.8
ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ И БОЗОН ХИГГСА
В. О. Потапова*, А. Е. Ткачева, А. С. Щербина Научный руководитель - Е. А. Жирнова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: viktoriapotapova1999@mail.ru
Исследуются различные гипотезы темной материи, ее возможные связи с бозоном Хиггса. Анализируется влияние темной материи на развитие современной космологии и астрофизики.
Ключевые слова: бозон Хиггса, темная материя, стандартная модель физики элементарных частиц, космология.
DARK MATTER AND THE HIGGS BOSON
V. O. Potapova*, A. E. Tkacheva, A. S. Shcherbina Scientific supervisor - E. A. Zhirnova
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: viktoriapotapova1999@mail.ru
Various hypotheses of dark matter and its possible connections with the Higgs boson are being investigated. The influence of dark matter on the development of modern cosmology and astrophysics is analyzed.
Key words: Higgs boson, dark matter, standard model of particle physics, cosmology.
Гипотеза о существовании темной материи возникла более ста лет назад и до сих пор остается одной из сложных загадок современной науки. Недавние астрофизические и космологические измерения показали, что обычная материя составляет менее 5 % энергетического содержания Вселенной, тогда как природа оставшихся 95 % остается неизвестной [1]. Целью работы является: анализ вопроса, что такое темная материя, какова ее роль в космологии и астрофизике, и как она связана с последними открытиями современной науки, а именно с бозоном Хиггса.
Одним из главных открытий, сделанных на коллайдере, стало открытие в 2012 году бозона Хиггса [2]. На рисунке (рис. 1 [4]) изображен бозон Хиггса. Бозон Хиггса предсказали пятьдесят лет назад, по тогдашней теории все элементарные частицы получались безмассовыми, именно бозон Хиггса несет ответственность за наличие массы у всех элементарных частиц [3]. Эта частица, существовавшая до этого момента только в теории, была самой последней недостающей частью стандартной модели физики элементарных частиц [2].
Однако стандартная модель физики элементарных частиц, несмотря на успех в описании элементарных частиц и их взаимодействий при низких энергиях, неспособна объяснить существование темной материи.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 2
Единственные возможные кандидаты, нейтрино, не обладают нужными свойствами для объяснения наблюдаемой темной материи.
Рис. 1. Бозон Хиггса
Учеными уже давно было вычислено, что в пределах видимой нам части Вселенной таинственной темной материи в пять раз больше, чем обычной материи, которую можно увидеть и почувствовать. Но, несмотря на такое изобилие и на большое количество проведенных в этом направлении экспериментов, темная материя пока не была обнаружена, а ее природа остается загадкой и на сегодняшний день.
Темная материя - это самая таинственная масса во вселенной, которая не пропускает свет, и не производит гравитационного притяжения, возможно состоит из изначальных черных дыр, возникших в результате Большого взрыва. Тёмная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии, в том числе со светом. Из-за этого физики не ведут за ней прямого наблюдения. На рис. 2 изображена ЭБ-карта тёмной материи [5].
Рис. 2. ЭБ-карта тёмной материи
Как физики могут изучать темную материю за пределами гравитационных эффектов, если она практически невидима? Исследователи используют три подхода:
- косвенное обнаружение с помощью астрономических обсерваторий в поисках продуктов распада аннигиляции темной материи в галактических центрах;
- прямое обнаружение с помощью высокочувствительных экспериментов с низким фоном в поисках рассеяния темной материи от ядер;
- создание темной материи в контролируемой лабораторной среде Большого адронного коллайдера в ЦЕРНЕ.
Рассмотрим возможные связи таинственной темной материи и бозона Хиггса.
По существующей стандартной модели бозон Хиггса распадается на 4 вида, предсказывают и пятый вид. Одним из видов таких новых неизвестных частиц, на которые распадается бозон Хиггса, могут быть и частицы темной материи. Ведь, учитывая роль
бозона в формировании массы других частиц, и то, что темная материя проявляется в нашем мире только через ее же массу, существует большая вероятность того, что бозон Хиггса может взаимодействовать с темной материей гораздо сильнее, чем уровень взаимодействия темной материи и обычной барионной материи, который, как нам известно, стремится к нулю.
Существование темной материи требует пересмотра и расширения стандартной модели физики элементарных частиц. Чтобы решить эту проблему, простое теоретическое расширение стандартной модели утверждает, что существующие частицы, такие как бозон Хиггса, действуют как "портал" между известными частицами и частицами темной материи. Поскольку бозон Хиггса соединяется с массой, массивные частицы темной материи должны взаимодействовать с ним. Бозон Хиггса все еще имеет большие неопределенности, связанные с силой его взаимодействия со стандартными модельными частицами; до 30% распадов Хиггса-бозона потенциально могут быть невидимыми, согласно последним комбинированным измерениям Хиггса-бозона.
Однако, современная наука не стоит на месте, а непрерывно и неуклонно развивается. Ученые предполагают, что через несколько десятилетий, благодаря открытию бозона Хиггса станет возможным создание любых форм материи и воспроизведение цепочки развития вселенной, значит темная материя перестанет быть настолько таинственной. В любом случае, открытия в современной космологии и астрофизики только начинаются!
Библиографические ссылки
1. В. А. Рябов, В. А. Царев, A.M. Цховребов Поиски частиц темной материи. - том 178, номер 11 изд. - Москва: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2008. - 1129-1164 с.
2. Потапова В. О., Ткачёва А. Е., Щербина А. С. М-теория и антропный принцип // АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ АВИАЦИИ И КОСМОНАВТИКИ. - Красноярск: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева", 2020. - С. 673-675.
3. В. О. Потапова, А.Е. Ткачева, А.С. Щербина Роль бозона Хиггса в современной науке // АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ АВИАЦИИ И КОСМОНАВТИКИ Сборник материалов VI Международной научно-практической конференции, посвященной Дню космонавтики.. -Красноярск: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева", 2020. - С. 670-672.
4. Владимир Гильен «Бозон Хиггса: одно из самых важных открытий в науке» // МИР ВОКРУГ. - 2018
5. Astronomers Create 3D Map of the Distant Universe // SciTechDaily - Science, Space and Technology URL: https://scitechdaily.com/astronomers-create-3d-map-distant-universe/amp/ (дата обращения: 31.03.2022).
© Потапова В. О., Ткачева А. Е., Щербина А. С., 2022
