המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה אומר לנו שרק 4.9% מהיקום מורכב מחומר רגיל (כלומר זה שאנחנו יכולים לראות), בעוד שהיתר מורכב מ -26.8% חומר אפל ו -68.3% אנרגיה כהה. כפי שרמזו השמות, איננו יכולים לראות אותם, ולכן היה צורך להסיק את קיומם על סמך מודלים תיאורטיים, תצפיות על מבנה היקום הגדול, ועל השפעות הכבידה שלו לכאורה על חומר גלוי.
מאז שהוצע לראשונה, לא היו מחסור בהצעות לגבי איך נראים חלקיקי חומר כהה. לפני זמן לא רב הציעו מדענים רבים כי חומר כהה מורכב מחלקיקים מאסיביים חלשים-אינטראקציה (WIMPs), שהם בערך פי מאה ממסה של פרוטון אך מתקשרים כמו נייטרינים. עם זאת, כל הניסיונות למצוא WIMPs באמצעות ניסויי קולטנים עלו ריקים. מכיוון שכך, מדענים בוחנים את הרעיון בזמן האחרון כי חומר אפל עשוי להיות מורכב ממשהו אחר לחלוטין.
מודלים קוסמולוגיים נוכחיים נוטים להניח שמסת החומר האפל היא בערך 100 גב (גיגה-אלקטרוולטים), התואמת את סולם ההמונים של חלקיקי החלקיקים האחרים המפעילים אינטראקציה באמצעות כוח גרעיני חלש. קיומו של חלקיק כזה יהיה בקנה אחד עם הרחבות העל-סימטריות של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. עוד מאמינים כי חלקיקים כאלה היו נוצרים ביקום החם, הצפוף, הקדום, עם צפיפות מסה עניינית שנשארה עקבית עד היום.
עם זאת, מאמצים ניסיוניים מתמשכים לגילוי WIMP לא הצליחו להעלות כל הוכחה קונקרטית לחלקיקים אלה. אלה כללו חיפוש אחר תוצרי השמדת WIMP (קרינת גמא, נייטרינו וקרניים קוסמיות) בגלקסיות ואשכולות סמוכים, כמו גם ניסויים לגילוי ישיר באמצעות מחסני-על, כמו CERN Large Hadron Collider (LHC) בשוויץ.
מכיוון שכך, צוותי חוקרים רבים החלו לשקול להסתכל מעבר לפרדיגמת ה- WIMP כדי למצוא Dark Matter. צוות אחד כזה מורכב מקבוצה של קוסמולוגים מ- CERN ו- CP3-Origins בדנמרק, אשר לאחרונה פרסמו מחקר שהצביע על כך שמאפיית Dark יכולה להיות הרבה יותר כבדה והרבה פחות אינטראקציה ממה שחשבו בעבר.
כפי שד"ר מק'קולן סנדורה, אחד מחברי צוותי המחקר מ- CP-3 Origins, אמר למגזין החלל באמצעות הדוא"ל:
"אנחנו עדיין לא יכולים לשלול את תרחיש ה- WIMP, אבל עם כל שנה שעוברת זה הופך להיות יותר ויותר חשוד שלא ראינו שום דבר. בנוסף, הפיזיקה הרגילה בקנה מידה חלש סובלת מבעיית ההיררכיה. כלומר, כל החלקיקים שאנו יודעים עליהם הם כה קלים, במיוחד ביחס לסולם הכבידה הטבעי, סולם פלאנק, שהוא בערך 1019 GeV. כך שאם החומר האפל היה קרוב יותר לסולם פלאנק, זה לא היה מושפע מבעיית ההיררכיה וזה גם היה מסביר מדוע לא ראינו את החתימות הקשורות ל- WIMPs. "
באמצעות מודל חדש שהם מכנים Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), הצוות בדק את הגבול העליון של מסת החומר האפל. בעוד ש- WIMP מציבים את מסת החומר האפל בגבול העליון של סולם האלקטרווארק, צוות המחקר הדני של מרתיאס גרני, מקולן סנדורה ומרטין ס. סלוט הציע חלקיק בעל מסה בסמוך לסולם טבעי אחר לחלוטין - סולם פלאנק.
בסולם פלאנק יחידת מסה יחידה שווה ערך ל 2.17645 × 10-8 ק"ג - בערך מיקרוגרם, או 1019 פעמים גדולות ממסת הפרוטון. במסה זו, כל PIDM כבד בעצם כמו חלקיק שיכול להיות לפני שהוא הופך לחור שחור מיניאטורי. הצוות גם תיאורציות שחלקיקי ה- PIDM הללו מתקשרים עם חומר רגיל רק דרך גרביטציה וכי חלקים גדולים מהם נוצרו ביקום המוקדם מאוד בתקופת "התחממות המחזור" - תקופה שהתרחשה בסוף התקופה האינפלציונית, כ -10-36 t0 10-33 או 10-32 שניות אחרי המפץ הגדול.
זוהי תקופה שנקראת כך מכיוון שבמהלך האינפלציה, ההערכה היא כי הטמפרטורות הקוסמיות צנחו בכוח של 100,000 בערך. עם תום האינפלציה, הטמפרטורות חזרו לטמפרטורה שקדמה לאינפלציה שלה (אומדן של כ -1027 K). בנקודה זו, האנרגיה הפוטנציאלית הגדולה של שדה האינפלציה התפרקה לחלקיקים מודל סטנדרטיים שמילאו את היקום, שהיה כולל את החומר האפל.
באופן טבעי, תיאוריה חדשה זו באה עם חלקה בהשלכות על הקוסמולוגים. לדוגמה, כדי שדגם זה יעבוד, הטמפרטורה של תקופת החימום מחדש הייתה חייבת להיות גבוהה יותר ממה שמונח כיום. יתרה מזאת, תקופת חימום חם יותר תביא גם ליצירת גלי כבידה קדומים יותר, שיהיו גלויים ברקע המיקרוגל הקוסמי (CMB).
"טמפרטורה כל כך גבוהה אומרת לנו שני דברים מעניינים על אינפלציה," אומרת סנדורה. "אם חומר אפל יתגלה כ- PIDM: הראשון הוא שהאינפלציה התרחשה באנרגיה גבוהה מאוד, מה שאומר שהוא יכול היה לייצר לא רק תנודות בטמפרטורה של היקום המוקדם, אלא גם בחלל עצמו, בצורה של גלי כבידה. שנית, הוא אומר לנו כי אנרגיית האינפלציה הייתה צריכה להתפרק לחומר במהירות רבה, מכיוון שאם היה לוקח זמן רב מדי היקום היה מתקרר עד כדי כך שהוא לא היה מסוגל לייצר PIDM בכלל. "
ניתן לאשר או לשלול את קיומם של גלי הכבידה הללו על ידי מחקרים עתידיים שעסקו בנושא מיקרוגל מיקרוגל (CMB). אלה חדשות מרגשות, מכיוון שהתגלית האחרונה של גלי הכבידה צפויה להוביל לניסיונות מחודשים לגלות גלים קדומים שנמצאים עוד מימי בריאת היקום.
כפי שהסבירה סנדורה, הדבר מציג תרחיש win-win עבור מדענים, כיוון שהמועמד האחרון הזה ל Dark Matter יוכל להוכיח או להפריך בעתיד הקרוב.
"[O] תרחיש ur עושה ניבוי מוחשי: אנו נראה גלי כבידה בדור הבא של ניסויי רקע מיקרוגל קוסמי. לכן זהו תרחיש ללא הפסד: אם אנו רואים אותם, זה נהדר, ואם לא נראה אותם, נדע שחומר אפל אינו PIDM, מה שאומר שאנחנו יודעים שיש לו כמה אינטראקציות נוספות עם חומר רגיל. וכל זה יקרה בתוך העשור הבא בערך, מה שנותן לנו המון לצפות בה. "
מאז שהציע ג'ייקובוס קפטיין לראשונה את קיומו של חומר האפל בשנת 1922, מדענים חיפשו איזשהו עדות ישירה לקיומו. ובזה אחר זה, הוצעו, נשקלו ונמצאו רוצים חלקיקים מועמדים - הנעים בין גרוויטינו ו- MACHOS וכלה בציר. אם אין דבר אחר, טוב לדעת שניתן להוכיח או לשלול את קיומו של חלקיק המועמד האחרון בזמן הקרוב.
ואם הוכח כנכון, נפתר את אחת התעלומות הקוסמולוגיות הגדולות בכל הזמנים! צעד קרוב להבנת היקום באמת ואיך אינטראקציה בין כוחותיו המסתוריים. תיאוריה של הכל, הנה אנו באים (או לא)!
