Ученые ищут частицы темной материи, в триллионы или даже в квадриллионы раз легче, чем при традиционных поисках.
Астрономы столкнулись с загадкой. Звезды и галактики танцуют под неожиданную мелодию, их движение, кажется, управляется массой в шесть раз превышающей видимую. Ученые полагают, что Вселенная наполнена формой темной материи, значительно превосходящей обычную материю. Есть только одна проблема: нет прямых доказательств существования темной материи.
В течение последних 50 лет физики пытались обнаружить темную материю, но безуспешно. Рассматривались различные варианты, от субатомных частиц до невидимых черных дыр. В течение последних нескольких десятилетий сообщество теоретической физики поддерживало идею о том, что темная материя состоит из стабильных частиц с массой где-то между массой протона и в несколько тысяч раз большей.
Однако группа физиков из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми и Чикагского университета исследовала совершенно другой диапазон масс. Эти ученые ищут частицы темной материи, которые в триллионы или даже в квадриллионы раз легче, чем в более традиционных поисках.
Сверхлегкая темная материя
Физики из коллаборации BREAD (Broadband Reflector Experiment for Axion Detection – Эксперимент с широкополосным отражателем для обнаружения аксионов) ищут сверхлегкую темную материю. Эти исследователи ищут два класса частиц, существование которых было предложено теоретическим сообществом, но пока не обнаружено.
Первая частица называется “темный фотон”, который мог бы взаимодействовать с частицами темной материи подобно тому, как обычные фотоны взаимодействуют с обычной материей. Однако, если они существуют, темные фотоны не должны взаимодействовать напрямую с обычной материей, так же как обычные фотоны не взаимодействуют с темной материей.
Однако, благодаря причуде квантовой механики, возможно, что темные фотоны могут превращаться в обычные фотоны, хотя такое превращение было бы редким.
В отличие от этого, аксионы, как полагают, играют иную роль. В общепринятой теории квантового мира слабое ядерное взаимодействие взаимодействует с материей и антиматерией совершенно по-разному. Нет априорной причины, по которой сильное ядерное взаимодействие не могло бы также по-разному обращаться с материей и антиматерией.
Однако экспериментальные данные убедительно свидетельствуют об отсутствии асимметрии в том, как сильное ядерное взаимодействие обращается с материей и антиматерией. Теория аксионов была предложена в качестве объяснения этого удивительного наблюдения. (Примечание: сильное ядерное взаимодействие удерживает вместе ядро атомов, а слабое ядерное взаимодействие вызывает некоторые формы радиоактивности).
Метод детектирования BREAD основан на том, что темная материя или аксионы взаимодействуют с металлической стенкой и излучают обычные фотоны перпендикулярно металлу. Когда эти обычные фотоны создаются, их можно обнаружить с помощью традиционных технологий. Эти фотоны не обязательно видимый свет, в принципе они могут быть из любой частоты электромагнитного спектра. В последней публикации исследователи сообщили о результатах только по поиску тёмных фотонов, обнаруживая конкретный класс микроволн.
Исследователи BREAD разработали чувствительный радиоприемник и использовали его для сканирования диапазона от 10,7 до 12,5 ГГц. Концептуально это похоже на сканирование частот автомобильным радио и попытку найти вещательную станцию. Если бы темные фотоны превращались в обычные фотоны в этом диапазоне частот, исследователи обнаружили бы скачок сигнала на конкретной частоте.
Сигнал не был обнаружен, но исследователи смогли установить предел существования тёмных фотонов в диапазоне масс от 44 до 52 микроэлектронвольт (мкэВ), гораздо ниже диапазона традиционных поисков темной материи. Новый детектор был в 10 000 раз чувствительнее предыдущих измерений в этом диапазоне масс.
Будущие эксперименты
Хотя это достижение значительно, эта версия детектора BREAD – просто устройство, доказывающее, что экспериментальный подход является жизнеспособным. Исследователи проектируют следующее устройство, которое, как ожидается, значительно повысит как чувствительность, так и диапазон исследуемых масс.
Пока всё в процессе разработки, исследователи используют текущее устройство для проведения сопоставимого поиска аксионов. Метод обнаружения похож, но считается, что аксионы превращаются в обычные фотоны, когда помещаются в сильное магнитное поле. В настоящее время используется магнит с индукцией 4 Тесла, расположенный в Аргоннской национальной лаборатории. Опять же, хотя ожидается, что эти усилия установят рекордную эффективность, в Фермилаб должен прибыть более крупный и мощный магнит, что дополнительно расширит возможности коллаборации.
Если темная материя существует, она является пока неуловимой субстанцией, предоставляющей очень мало экспериментальных указаний относительно ее свойств. Теоретические оценки массы отдельных частиц темной материи варьировались от одной миллионной массы электрона до 100 масс Солнца. Хотя эксперименты исключили части этого огромного диапазона масс, большие его части остаются неисследованными. Коллаборация BREAD надеется занять лидирующую роль в области малых масс.
Читайте также: Темная материя может иметь свою собственную “невидимую” периодическую таблицу элементов
