Одним из наиболее разработанных и теоретически обоснованных кандидатов на роль частиц тёмной материи являются слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles). Эти гипотетические частицы должны обладать следующими свойствами:
WIMPs естественным образом появляются в расширениях Стандартной модели, таких как суперсимметрия, где, например, нейтралино — линейная комбинация суперпартнёров бозонов B, W0, H10, H20 — является наиболее лёгкой стабильной частицей (LSP) при сохранении R-чётности. Нейтралино, как стабильная, массивная и нейтральная частица, подходит под все критерии тёмной материи.
Особенность WIMP заключается в том, что их реликтовая плотность может быть объяснена механизмом замерзания во время расширения Вселенной. При температуре ниже массы частицы аннигиляционные процессы становятся неэффективными, и число частиц «застывает», определяя современную плотность тёмной материи. Это привело к так называемому «чуду WIMP»: совпадению характерной сечения аннигиляции слабого масштаба с наблюдаемой плотностью тёмной материи.
Однако многочисленные эксперименты по прямому (XENONnT, LUX-ZEPLIN), косвенному (FERMI-LAT, H.E.S.S., AMS-02) и коллайдерному (ATLAS, CMS) поиску пока не дали достоверного сигнала в пользу существования WIMP, что постепенно сдвигает фокус в сторону более лёгких или более слабо взаимодействующих кандидатов.
Аксионы — это гипотетические псевдоскалярные бозоны, предложенные как следствие механизма Печчи–Куинн для решения проблемы сильного CP-нарушения в квантовой хромодинамике (КХД). Они обладают следующими характеристиками:
Аксионы могли бы быть произведены в ранней Вселенной в результате когерентных осцилляций поля и не входили бы в термальное равновесие, что отличает их от WIMP. Их вклад в плотность энергии Вселенной может соответствовать наблюдаемой плотности тёмной материи.
Экспериментальные поиски аксионов ведутся с использованием эффектов, обусловленных их взаимодействием с электромагнитным полем — например, в экспериментах типа “свет сквозь стену” (ALPS), а также в резонансных радиочастотных кавитах (ADMX). Эти эксперименты стремятся обнаружить конверсию аксиона в фотон в сильном магнитном поле.
Существуют также более общие аксионоподобные частицы (ALPs), которые могут не быть связаны с КХД, но обладают аналогичной феноменологией.
Стерильные нейтрино — это гипотетические нейтрино, не участвующие в слабом взаимодействии. Они взаимодействуют с остальным веществом только через смешивание с активными нейтрино или через гравитацию. Основные характеристики:
В сценариях типа νMSM (расширение минимальной Стандартной модели с добавлением правых нейтрино), стерильные нейтрино могут одновременно объяснить массу активных нейтрино (через механизм Си-Соу), происхождение барионной асимметрии и тёмную материю.
Если масса стерильного нейтрино составляет порядка нескольких кэВ, оно может вести себя как тёплая тёмная материя, оказывая влияние на формирование маломасштабных структур. Косвенные поиски сосредоточены на возможном распаде стерильных нейтрино с испусканием моноэнергетического фотона, что может быть обнаружено в рентгеновском диапазоне. Сообщения о потенциальной линии на 3.5 кэВ в рентгеновском спектре (например, из скоплений галактик) обсуждаются как возможное проявление стерильных нейтрино.
Существует широкий класс моделей, в которых тёмная материя состоит из частиц, не входящих в Стандартную модель и взаимодействующих между собой через собственные переносчики взаимодействия — тёмные фотоны. Такие частицы могут взаимодействовать с нашей материей через кинетическое смешивание с фотоном Стандартной модели:
$$ \mathcal{L} \supset \frac{\epsilon}{2} F^{\mu\nu} F'_{\mu\nu} $$
где F′μν — тензор напряжённости тёмного фотона, а ϵ ≪ 1 — параметр смешивания.
Тёмные фотоны могут быть массless или массивны (при наличии механизма Хиггса в скрытом секторе), а частицы тёмной материи в этих моделях могут быть либо лёгкими (MeV–GeV), либо тяжелыми (TeV). Наблюдаемая стабильность тёмной материи обеспечивается симметрией скрытого сектора.
Такие модели активны в текущих и планируемых экспериментах: Beam Dump-эксперименты (например, NA64, SHiP), фиксированные мишени (DarkLight, APEX) и эксперименты с низкоэнергетическими коллайдерами.
Помимо нейтралино, в суперсимметрических теориях возможны и другие кандидаты:
Такие кандидаты особенно интересны в контексте моделей Gauge Mediated Supersymmetry Breaking (GMSB), где гравитино часто оказывается найлегчайшей частицей. Однако стабильность гравитино и его влияние на нуклеосинтез требуют тщательного согласования с космологическими наблюдениями.
Хотя тёмная материя традиционно ассоциируется с новыми элементарными частицами, существует гипотеза о её составлении из первичных чёрных дыр (PBH — primordial black holes), образовавшихся в ранней Вселенной до эпохи звездообразования. В зависимости от массы, PBH могут:
Однако ограничения по микролинзированию и спектру космического фона накладывают жёсткие ограничения на возможный вклад PBH в общую плотность тёмной материи. Тем не менее, в некоторых диапазонах масс (например, 1017–1023 г) эта гипотеза ещё не полностью исключена.
В теориях с компактными или искривлёнными дополнительными измерениями, таких как модель Рэндалла–Сандрума или универсальные дополнительные измерения (UED), появляются массивные возбуждённые состояния (KK-моды). Если существует симметрия, запрещающая распад на частицы Стандартной модели (например, KK-паритет), то найлегчайшая KK-частица (LKP) может быть стабильной и играть роль тёмной материи.
Наиболее изученным кандидатом в рамках UED является KK-фотон — возбуждённое состояние фотона в дополнительном измерении. Его поведение аналогично нейтралино, но происхождение и параметры зависят от геометрии и радиуса компактификации дополнительного измерения.
Современное разнообразие кандидатов на тёмную материю иллюстрирует неопределённость в природе этой компоненты Вселенной. Различные модели предсказывают широкий диапазон масс (от суб-эВ до сотен ТэВ), взаимодействий и способов производства. Важнейшие направления теоретических и экспериментальных исследований включают:
Пока не будет получено достоверное экспериментальное подтверждение, множественность моделей и кандидатов будет оставаться важной частью феноменологии частиц тёмной материи.