Если темная материя образует ореолы вокруг галактик, она должна иметь инвариантную массу. В Стандартной модели элементарные частицы обычно приобретают массу за счет слабых взаимодействий с полем Хиггса. Означает ли это, что темная материя должна слабо взаимодействовать? Каковы возможные альтернативные механизмы приобретения частицами темной материи инвариантной массы?
Сначала я хотел бы исправить один момент вашего вопроса: частицы Стандартной модели (СМ) не приобретают массу за счет слабого взаимодействия с полем Хиггса. Вы часто путаете поле Хиггса с бозоном Хиггса. Но это лишь косвенно относится к вашему вопросу, и я не буду подробно останавливаться на этом.
Итак, на ваш вопрос. Короче говоря, после чего я уточню, нам нужен механизм Хиггса, потому что частицы Стандартной модели подвержены электрослабому взаимодействию. Поскольку, насколько нам известно, частицы темной материи могут не взаимодействовать ни с частицами СМ, ни с частицами темной материи (см. этот мой ответ , чтобы выделить экспериментальные доказательства того, что темная материя ведет себя как пыль невзаимодействующих частиц), существует на самом деле нет необходимости в механизме Хиггса, и мы вполне могли бы найти более простое решение, просто запрограммировав массу непосредственно в теории.
Простейший механизм придания массе частице — это просто ввести эту массу непосредственно в теорию: технически мы просто добавляем к лагранжиану так называемый массовый член. Это прекрасно работает, например, для квантовой электродинамики (КЭД). Как вы наверняка знаете, КЭД называется калибровочной теорией, потому что она обладает внутренней симметрией, называемой калибровочной симметрией, которая , так как он состоит в умножении поля электрона на комплексное число по модулю 1, т. е. добавлении фазы к этому полю при удалении производной этой фазы из электромагнитного поля. Существенным моментом является то, что член массы электрона, который концептуально подобен электронному полю, умноженному на его комплексное сопряжение, инвариантен относительно этой калибровочной симметрии. Так что все в порядке, и на этом мы можем остановиться. Это объясняет, почему КЭД благополучно пережила 50-е и 60-е годы, не нуждаясь в механизме Хиггса. Обратите внимание, однако, что массовый термин для фотона не будет калибровочно-инвариантным, поэтому КЭД работает только с безмассовым фотоном, и опять же, это нормально, потому что очень хорошо согласуется с экспериментальными результатами.
К электрослабой теории. Как вы, наверное, уже слышали, это тоже калибровочная теория, отвечающая милому имени потому что мы преобразуем некоторые компоненты полей с унитарные матрицы и умножать другие на комплекс по модулю 1. Теперь проблема заключается в том, что массовый член фермиона не является калибровочно-инвариантным: этот ответ на этом самом сайте можно прочитать без слишком большого формального фона. Этого не может быть: мы знаем, что у электронов есть масса. Более того, что касается КЭД, любой массовый член для новых бозонов и также запрещено. Это тоже не может быть правильным, потому что экспериментальные результаты требуют и иметь массы порядка 100 ГэВ: я имею в виду, мы знали это до того, как они были обнаружены. Решением этой головоломки является механизм Хиггса: он как бы спасает положение электрослабой теории, придавая массу некоторым фермионам, , к но не к фотону.
Теперь, что происходит с может произойти и с другими подобными извращенными калибровочными теориями, и если вы примете одну из них для ваших частиц темной материи, то действительно, механизм Хиггса будет самым простым способом получить массивные частицы. Но это очень большое «если», как вы уже должны были понять. Во-первых, нет никакой априорной причины постулировать такую калибровочную теорию с нарушением члена массы. Если частицы темной материи взаимодействуют, это может происходить посредством такой теории, как КЭД с новым темным электрическим зарядом. Но на самом деле они могут вообще не взаимодействовать, и до сих пор экспериментальные данные склоняются именно в этом направлении.
Это тот момент, когда я должен начать говорить о суперсимметрии (SUSY), поскольку частицы суперсимметрии долгое время считались одними из лучших кандидатов на роль темной материи, а затем я должен обсудить, как суперсимметричные частицы получают свою массу. , но этот ответ уже достаточно длинный. Не стесняйтесь задавать еще один вопрос об этом, так как в этих водах много поклонников SUSY!