Наблюдения вращательных кривых спиральных галактик, начиная с 1970-х годов (работы В. Рубин и К. Форд), продемонстрировали, что скорости вращения звёзд и газа на периферии галактик остаются практически постоянными, вопреки ожиданиям на основе распределения видимого вещества. Аналогичные отклонения наблюдаются при анализе движения скоплений галактик, гравитационного микролинзирования, а также данных космического микроволнового фона. Все эти данные требуют присутствия дополнительной компоненты, не испускающей электромагнитного излучения, — тёмной материи.
Оценки показывают, что около 27% плотности энергии Вселенной приходится на тёмную материю, тогда как обычное барионное вещество составляет лишь около 5%. Таким образом, подавляющее большинство материи во Вселенной не участвует в электромагнитных и сильных взаимодействиях, но проявляет себя через гравитационные эффекты.
Тёмная материя не взаимодействует электромагнитно, что исключает возможность её прямого обнаружения с помощью традиционных оптических или рентгеновских наблюдений. По всей видимости, она также не участвует в сильных взаимодействиях, что ограничивает её роль в ядерных процессах в традиционном понимании.
Существуют несколько основных гипотез о природе частиц тёмной материи:
В ядерной физике ключевым является вопрос о возможности прямой регистрации тёмной материи при её взаимодействии с атомными ядрами. Прямой поиск основан на регистрации отдачи ядра при упругом рассеянии на частице тёмной материи.
Основные типы взаимодействий:
Эти взаимодействия моделируются в рамках эффективной теории поля низких энергий, где тёмная материя рассматривается как внешняя частица, обменивающаяся промежуточным бозоном с нуклонами ядра.
Среди важнейших экспериментов, ориентированных на регистрацию тёмной материи, можно выделить:
Все эти установки регистрируют энерговыделение от единиц до десятков кэВ. Требуется экстремально низкий уровень радиационного фона, что обуславливает размещение установок на большой глубине под землёй (например, в тоннелях, шахтах).
Первые минуты после Большого взрыва характеризовались условиями, в которых происходил первичный нуклеосинтез. Тёмная материя могла влиять на него через:
Наблюдаемое соотношение лёгких элементов (²H, ³He, ⁴He, ⁷Li) строго ограничивает возможные свойства тёмной материи. Современные модели требуют, чтобы она была уже в основном “заморожена” к моменту нуклеосинтеза, чтобы не исказить предсказания.
Непрямые методы поиска тёмной материи основаны на регистрации продуктов аннигиляции или распада частиц тёмной материи. Возможны следующие каналы:
Энергетический спектр, пространственное распределение и частота появления таких сигналов подвергаются строгому моделированию с учётом ядерных взаимодействий.
Существует множество теоретических моделей расширения Стандартной модели, предполагающих новые частицы, которые могут быть кандидатами на тёмную материю. Некоторые из них:
Все эти модели накладывают ограничения на ядерные сечения и требуют учёта ядерных эффектов, таких как формафакторы, спиновые корреляции, эффекты конечного размера ядра и другие.
Разработка высокочувствительных детекторов для тёмной материи невозможна без глубокой проработки ядерных свойств материалов-мишеней:
Низкофоновые технологии, развитые в рамках ядерной физики, являются необходимым компонентом всей программы поиска тёмной материи.
Непрерывный прогресс в области экспериментальной ядерной физики способствует увеличению чувствительности экспериментов к малым сечениям взаимодействия тёмной материи с нуклонами. Применение новых технологий (например, сверхпроводящих квантовых детекторов), улучшение теоретических ядерных моделей, расширение знаний о структуре ядра и ядерных формах взаимодействия позволяют сузить пространство параметров, в котором могут находиться кандидаты на тёмную материю.
Современная ядерная физика обеспечивает критически важную платформу как для моделирования, так и для практической реализации стратегий обнаружения невидимой компоненты Вселенной.