แบบจำลองมาตรฐานจักรวาลวิทยาบอกเราว่ามีเพียง 4.9% ของจักรวาลที่ประกอบด้วยสสารทั่วไป (เช่นที่เราเห็น) ในขณะที่ส่วนที่เหลือประกอบด้วยสสารมืด 26.8% และพลังงานมืด 68.3% ดังที่ชื่อแนะนำเราไม่สามารถมองเห็นพวกมันได้ดังนั้นการดำรงอยู่ของพวกมันจึงต้องมีการอนุมานตามแบบจำลองเชิงทฤษฎีการสังเกตโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลและผลกระทบแรงโน้มถ่วงที่ชัดเจนต่อสสารที่มองเห็นได้
เนื่องจากเป็นการเสนอครั้งแรกจึงไม่มีข้อเสนอแนะใด ๆ เกี่ยวกับลักษณะของอนุภาคสสารมืด เมื่อไม่นานมานี้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเสนอว่า Dark Matter ประกอบไปด้วยอนุภาคขนาดใหญ่ (Weimly-Interacting Massive Particles หรือ WIMPs) ซึ่งมีมวลประมาณ 100 เท่าของโปรตอน แต่มีปฏิกิริยาเหมือนนิวตริโน อย่างไรก็ตามความพยายามทั้งหมดในการค้นหา WIMP ที่ใช้การทดลองของ colliders นั้นว่างเปล่า เมื่อไม่นานมานี้นักวิทยาศาสตร์ได้สำรวจความคิดว่าสสารมืดอาจประกอบไปด้วยสิ่งอื่นทั้งหมด
แบบจำลองทางดาราศาสตร์ในปัจจุบันมีแนวโน้มที่จะสันนิษฐานว่ามวลของสสารมืดอยู่ที่ประมาณ 100 Gev (Giga-electrovolts) ซึ่งสอดคล้องกับสเกลมวลของอนุภาคอื่น ๆ จำนวนมากที่มีปฏิสัมพันธ์กับกองกำลังนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ การมีอยู่ของอนุภาคดังกล่าวจะสอดคล้องกับส่วนขยายแบบสมมาตรของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค เชื่อกันว่าอนุภาคดังกล่าวน่าจะเกิดขึ้นในเอกภพยุคแรกที่ร้อนและหนาแน่นด้วยสสารที่มีความหนาแน่นของมวลสารซึ่งยังคงสอดคล้องกับทุกวันนี้
อย่างไรก็ตามการทดลองอย่างต่อเนื่องเพื่อตรวจจับ WIMPs ล้มเหลวในการสร้างหลักฐานที่เป็นรูปธรรมของอนุภาคเหล่านี้ สิ่งเหล่านี้รวมถึงการค้นหาผลิตภัณฑ์ของการทำลายล้าง WIMP (เช่นรังสีแกมม่านิวตริโนและรังสีคอสมิก) ในกาแลคซีและกระจุกที่อยู่ใกล้เคียงรวมถึงการทดลองตรวจจับโดยตรงโดยใช้ supercolliders เช่น CERN Large Hadron Collider (LHC) ในสวิตเซอร์แลนด์
ด้วยเหตุนี้ทีมนักวิจัยหลายคนเริ่มพิจารณามองข้ามกระบวนทัศน์ของ WIMP เพื่อค้นหาสสารมืด หนึ่งในทีมดังกล่าวประกอบด้วยกลุ่มนักดาราศาสตร์วิทยาจาก CERN และ CP3-Origins ในเดนมาร์กซึ่งเพิ่งเปิดตัวผลการศึกษาระบุว่า Dark Matter นั้นอาจจะหนักกว่าและโต้ตอบน้อยกว่าที่คิดไว้มาก
ในฐานะดร. McCullen Sandora หนึ่งในสมาชิกทีมวิจัยจาก CP-3 Origins บอกกับนิตยสาร Space ผ่านอีเมล:
“ เรายังไม่สามารถแยกแยะสถานการณ์ของ WIMP ได้ แต่ในแต่ละปีที่ผ่านมาจะมีข้อสงสัยมากขึ้นเรื่อย ๆ ว่าเราไม่เห็นอะไรเลย นอกจากนี้ฟิสิกส์ระดับอ่อนแอปกติทนทุกข์ทรมานจากปัญหาลำดับชั้น นั่นคือเหตุผลที่อนุภาคทั้งหมดที่เรารู้มีความสว่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงตามธรรมชาติระดับสเกลพลังค์ซึ่งมีค่าประมาณ 1019 GeV ดังนั้นหากสสารมืดอยู่ใกล้กับระดับพลังค์มันจะไม่ได้รับผลกระทบจากปัญหาลำดับชั้นและสิ่งนี้จะอธิบายได้ว่าทำไมเราไม่เห็นลายเซ็นที่เกี่ยวข้องกับ WIMP”
ด้วยการใช้โมเดลใหม่ที่เรียกว่า Planckian Interacting Dark Matter (PIDM) ทีมได้สำรวจขอบเขตบนสุดของสสารมืด ในขณะที่ WIMPs วางมวลของสสารมืดที่ขีด จำกัด บนของมาตราส่วน electroweak ทีมวิจัยเดนมาร์กของ Marthias Garny, McCullen Sandora และ Martin S. Sloth เสนออนุภาคที่มีมวลใกล้เคียงกับสเกลธรรมชาติทั้งหมด - มาตราส่วน Planck
ในสเกลพลังค์หน่วยมวลหนึ่งหน่วยเทียบเท่ากับ 2.17645 × 10-8 กิโลกรัม - ประมาณ 1 ไมโครกรัมหรือ 1019 คูณมากกว่ามวลของโปรตอน ที่มวลนี้ PIDM ทุกตัวมีน้ำหนักมากพอ ๆ กับอนุภาคก่อนที่มันจะกลายเป็นหลุมดำขนาดเล็ก ทีมยังได้ตั้งทฤษฎีว่าอนุภาค PIDM เหล่านี้มีปฏิกิริยากับวัตถุธรรมดาเพียงผ่านความโน้มถ่วงและเกิดขึ้นในเอกภพยุคแรก ๆ ในช่วงยุค“ การทำให้ร้อน” ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่เกิดขึ้นในช่วงปลายยุค Inflationary ประมาณ 10-36 t0 10-33 หรือ 10-32 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง
นี่คือยุคที่มีชื่ออย่างมากเพราะในช่วงเงินเฟ้อเชื่อว่าอุณหภูมิของจักรวาลลดลง 100,000 เท่าหรือมากกว่านั้น เมื่ออัตราเงินเฟ้อสิ้นสุดลงอุณหภูมิกลับสู่อุณหภูมิก่อนเงินเฟ้อ (ค่าประมาณ 10)27 K) ณ จุดนี้พลังงานศักย์ขนาดใหญ่ของสนามเงินเฟ้อสลายตัวเป็นอนุภาคแบบจำลองมาตรฐานที่เต็มไปทั่วจักรวาลซึ่งจะรวมสสารมืด
โดยธรรมชาติแล้วทฤษฎีใหม่นี้มาพร้อมกับผลกระทบของการมีส่วนร่วมในจักรวาลวิทยา ตัวอย่างเช่นสำหรับรุ่นนี้ในการทำงานอุณหภูมิของยุคการอุ่นเครื่องจะต้องสูงกว่าที่คาดการณ์ไว้ในปัจจุบัน ยิ่งไปกว่านั้นระยะเวลาการพักร้อนที่ร้อนจัดก็จะส่งผลให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงดั่งเดิมซึ่งสามารถมองเห็นได้ในพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล (CMB)
“ การมีอุณหภูมิสูงเช่นนี้บอกเราสองสิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับภาวะเงินเฟ้อ” Sandora กล่าว “ หากสสารมืดกลายเป็น PIDM: ประการแรกคือเงินเฟ้อเกิดขึ้นด้วยพลังงานที่สูงมากซึ่งหมายความว่ามันสามารถผลิตได้ไม่เพียง แต่ความผันผวนของอุณหภูมิของเอกภพยุคแรก แต่ยังอยู่ในกาลอวกาศด้วย ในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง ประการที่สองมันบอกเราว่าพลังงานของเงินเฟ้อต้องสลายตัวไปอย่างรวดเร็วมากเพราะถ้ามันใช้เวลานานเกินไปจักรวาลก็จะเย็นลงจนถึงจุดที่มันจะไม่สามารถผลิต PIDM ใด ๆ ได้เลย”
การดำรงอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงเหล่านี้สามารถยืนยันหรือตัดออกโดยการศึกษาในอนาคตที่เกี่ยวข้องกับพื้นหลังไมโครเวฟอวกาศ (CMB) นี่เป็นข่าวที่น่าตื่นเต้นเนื่องจากการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อเร็ว ๆ นี้คาดว่าจะนำไปสู่ความพยายามในการตรวจจับคลื่นปฐมกาลซึ่งย้อนกลับไปในยุคของการสร้างจักรวาล
ดังที่ Sandora อธิบายสิ่งนี้นำเสนอสถานการณ์ win-win สำหรับนักวิทยาศาสตร์ซึ่งหมายความว่าผู้สมัครคนล่าสุดของ Dark Matter จะสามารถพิสูจน์หรือหักล้างได้ในอนาคตอันใกล้
“ สถานการณ์สมมติของคุณ [O] ทำให้การคาดการณ์ที่เป็นรูปธรรม: เราจะเห็นคลื่นความโน้มถ่วงในการทดลองพื้นหลังไมโครเวฟอวกาศรุ่นต่อไป ดังนั้นจึงเป็นสถานการณ์ที่ไม่สูญเสีย: ถ้าเราเห็นพวกเขานั่นยอดเยี่ยมและถ้าเราไม่เห็นพวกเขาเราจะรู้ว่าสสารมืดไม่ใช่ PIDM ซึ่งจะหมายความว่าเรารู้ว่าต้องมีปฏิสัมพันธ์เพิ่มเติม กับเรื่องธรรมดา และทั้งหมดนี้จะเกิดขึ้นภายในทศวรรษหน้าหรือมากกว่านั้นซึ่งจะทำให้เรามีความหวังเป็นอย่างยิ่ง”
นับตั้งแต่ Jacobus Kapteyn เสนอการดำรงอยู่ของ Dark Matter เป็นครั้งแรกในปี 1922 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นหาหลักฐานโดยตรงของการดำรงอยู่ของมัน และอนุภาคทีมีตัวเลือกซึ่งมีตั้งแต่ Gravitinos และ Machos ไปจนถึง axions นั้นมีการเสนอชั่งน้ำหนักและพบว่าต้องการ หากไม่มีสิ่งอื่นใดเป็นการดีที่จะรู้ว่าการดำรงอยู่ของอนุภาคผู้สมัครล่าสุดนี้สามารถพิสูจน์หรือตัดออกในอนาคตอันใกล้
และถ้าพิสูจน์แล้วว่าถูกต้องเราจะแก้ไขหนึ่งในความลึกลับเกี่ยวกับดาราศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดตลอดกาล! ขั้นตอนที่ใกล้กว่าที่จะเข้าใจจักรวาลอย่างแท้จริงและพลังลึกลับของมันมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร ทฤษฎีของทุกสิ่งที่นี่เรามา (หรือไม่)!
