Экварс: гипотетическая частица тёмной материи

Экварс — это гипотетическая элементарная частица, постулируемая в рамках некоторых моделей физики за пределами Стандартной модели, рассматриваемая в качестве одного из возможных кандидатов на роль тёмной материи. Термин «экварс» (от англ. exotic quark — экзотический кварк) не является общепринятым в научной литературе и чаще используется в научно-популярном контексте для обозначения частиц, обладающих свойствами, отличными от обычных кварков, но при этом не входящих в состав адронов. В более строгом смысле экварсы могут представлять собой стабильные массивные частицы, взаимодействующие с обычным веществом преимущественно гравитационно и, возможно, через слабое или новое, неизвестное фундаментальное взаимодействие.

История возникновения гипотезы

Предпосылки из космологии

Космологические наблюдения, начиная с работ Фрица Цвикки в 1930-х годах и более поздних измерений кривых вращения галактик (Вера Рубин, 1970-е годы), показали, что видимая материя (звёзды, газ, пыль) составляет лишь около 5 % от общей массы-энергии Вселенной. Около 27 % приходится на тёмную материю — невидимую субстанцию, проявляющую себя только через гравитационное воздействие. Природа тёмной материи остаётся неизвестной, что стимулирует поиск гипотетических частиц, не входящих в Стандартную модель.

Развитие теоретических моделей

В конце XX — начале XXI века физики-теоретики предложили несколько классов кандидатов в частицы тёмной материи: вимпы (WIMP — слабовзаимодействующие массивные частицы), аксионы, стерильные нейтрино, а также частицы, связанные с дополнительными измерениями. В рамках некоторых моделей квантовой хромодинамики (КХД) и суперсимметрии возникла идея о существовании стабильных «экзотических» кварков, которые не могли бы образовывать обычные адроны из-за своих квантовых чисел (например, барионного заряда, отличного от 1/3). Такие частицы, не участвующие в сильном взаимодействии в обычном смысле, могли бы сохраняться с момента Большого взрыва и составлять тёмную материю. Термин «экварс» как сокращение от «экзотический кварк» впервые появился в научно-популярных публикациях и дискуссиях на форумах, но не закрепился в рецензируемой литературе, где чаще говорят о «суперсимметричных кварках» (скварках) или «частицах-кандидатах из моделей техницвета».

Теоретические свойства

Основные характеристики

В гипотетических моделях экварс обладает следующими свойствами:

• Масса: от нескольких ГэВ/с² до нескольких ТэВ/с², что сопоставимо с массами тяжёлых кварков (прелестный, истинный) или даже превышает их. Масса должна быть достаточно велика, чтобы частица не распадалась на более лёгкие стабильные частицы.
• Стабильность: экварс должен быть стабилен на космологических временных масштабах (более 13,8 миллиардов лет), иначе он не мог бы сохраниться до наших дней как компонент тёмной материи. Стабильность обеспечивается либо законом сохранения некоторого квантового числа (например, «экварсного заряда»), либо очень малым временем жизни по сравнению с возрастом Вселенной.
• Взаимодействие: экварс взаимодействует с обычным веществом в основном гравитационно. Электромагнитное взаимодействие для него либо отсутствует (нейтральная частица), либо крайне слабое. Сильное взаимодействие, характерное для обычных кварков, может быть подавлено из-за того, что экварс не образует связанных состояний (адронов) или образует их только при экстремальных энергиях. Слабое взаимодействие возможно, но его сечение должно быть ничтожно малым, чтобы не противоречить экспериментам по поиску тёмной материи.

Отличие от других кандидатов

• От вимпов: вимпы (например, нейтралино в суперсимметрии) обычно являются фермионами, предсказываемыми теориями, расширяющими Стандартную модель. Экварс, если он является кварком, должен быть фермионом, но его квантовые числа (цветовой заряд, электрический заряд) могут отличаться. В отличие от вимпов, экварс может нести цветовой заряд, что делает его потенциально способным к образованию «экзотических» адронов (например, «экваркониев» — связанных состояний экварса и антиэкварса).
• От аксионов: аксионы — это псевдоскалярные частицы, предсказанные для решения проблемы CP-нарушения в сильном взаимодействии. Они чрезвычайно лёгкие (микроэВ) и слабовзаимодействующие. Экварс, напротив, массивный и может иметь сильное или цветовое взаимодействие.
• От стерильных нейтрино: стерильные нейтрино — гипотетические частицы, не участвующие в слабом взаимодействии, с массой порядка кэВ. Экварс значительно тяжелее и может иметь другие типы взаимодействий.

Поиск и экспериментальные ограничения

Прямые методы поиска

Эксперименты по прямому детектированию тёмной материи (например, XENONnT, LUX-ZEPLIN, DarkSide) направлены на регистрацию редких столкновений частиц тёмной материи с ядрами обычных атомов. Если экварс обладает слабым или ядерным взаимодействием, он может оставлять сигнал в виде отдачи ядра. Однако, если его сечение взаимодействия чрезвычайно мало (ниже 10⁻⁴⁶ см²), современные детекторы не могут его зафиксировать. На 2025 год никаких убедительных сигналов, соответствующих экварсу, не обнаружено.

Косвенные методы поиска

Косвенный поиск основан на регистрации продуктов аннигиляции или распада частиц тёмной материи в космосе. Если экварсы и антиэкварсы существуют, они могут аннигилировать, порождая гамма-кванты, нейтрино, позитроны или антипротоны. Телескопы (Fermi-LAT, AMS-02, HAWC) ищут избытки таких частиц из областей с высокой плотностью тёмной материи (например, из центра Галактики или карликовых галактик-спутников). Пока аномалий, однозначно указывающих на экварсы, не выявлено.

Коллайдерные эксперименты

На Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе ведётся поиск новых частиц, в том числе экзотических кварков. Если экварс имеет массу до нескольких ТэВ и участвует в сильном или электрослабом взаимодействии, он мог бы рождаться в столкновениях протонов. Однако, если экварс стабилен и слабовзаимодействует, он будет уносить энергию и импульс, проявляясь как недостающий поперечный импульс. На 2025 год коллайдерные данные не подтверждают существование экварсов в доступном диапазоне масс (до ~1–2 ТэВ для сильновзаимодействующих частиц).

Критика и альтернативные гипотезы

Проблемы модели экварса

• Отсутствие теоретической основы: экварс не является предсказанием какой-либо общепринятой фундаментальной теории (например, суперсимметрии или теории струн). Это скорее «сборное» понятие, объединяющее несколько разрозненных идей.
• Сложность с цветовым зарядом: если экварс несёт цветовой заряд, он должен либо образовывать адроны (что делает его похожим на обычную материю), либо быть «глюболом» (связанным состоянием только глюонов). В любом случае, его свойства сильно отличаются от свойств тёмной материи, которая должна быть нейтральной и не участвовать в сильном взаимодействии.
• Конфликт с космологическими данными: модели с экварсами часто предсказывают слишком большую плотность тёмной материи или неправильное распределение галактик, если не вводить дополнительные механизмы (например, аннигиляцию или распад).

Альтернативные кандидаты

Наиболее популярными кандидатами на роль тёмной материи остаются:

• Вимпы (нейтралино, фотино) — предсказываются суперсимметрией, активно ищутся на БАК и в прямых детекторах.
• Аксионы — лёгкие частицы, поиск которых ведётся с помощью «галоскопов» (ADMX, CAST).
• Стерильные нейтрино — могут объяснять некоторые аномалии в космических лучах.
• Первичные чёрные дыры — гравитационные объекты, образовавшиеся в ранней Вселенной.

Экварс, в отличие от этих кандидатов, не имеет столь же прочной теоретической базы и экспериментальных указаний.

Интересные факты

• Термин «экварс» встречается в основном в русскоязычных научно-популярных статьях и на форумах, посвящённых физике. В англоязычной литературе он практически не используется, вместо него говорят об «exotic quarks» или «exotic hadrons» (экзотические адроны, такие как тетракварки и пентакварки, которые были открыты экспериментально, но не являются тёмной материей).
• В 2010-х годах группа физиков из России и США предложила модель «тёмной материи из экзотических кварков», но она не получила широкого признания из-за отсутствия предсказаний, проверяемых в ближайшее время.
• Поиск экварсов косвенно связан с поиском «частиц-кандидатов» из моделей техницвета — альтернативы механизму Хиггса, но эти модели также не подтверждены.

Источники

• Bertone G., Hooper D., Silk J. Particle dark matter: evidence, candidates and constraints // Physics Reports. — 2005. — Vol. 405, No. 5–6. — P. 279–390.
• Рубцов Г. И. Тёмная материя: от гипотезы к эксперименту // Успехи физических наук. — 2018. — Т. 188, № 9. — С. 905–922.
• Kolb E. W., Turner M. S. The Early Universe. — Addison-Wesley, 1990. — Chapter 8.
• Обзоры Particle Data Group (2024) по поиску тёмной материи и экзотических частиц.
• Научно-популярные статьи на портале «Элементы» (elementy.ru) и «ПостНаука» (postnauka.ru) о кандидатах в тёмную материю.