Новые идеи в поисках темной материи

С 1980-х годов исследователи проводят эксперименты по поиску частиц, составляющих темную материю, невидимое вещество, пронизывающее нашу галактику и Вселенную.

Тёмная материя, названа так в результате того, что она не излучает света, эта субстанция, составляющая более 80 % материи нашей Вселенной, многократно воздействовала на обычную материю посредством своего притяжения. Ученые знают, что она существует, но не знают, что она собой представляет.

Как обнаружить темную материю?

Поэтому исследователи Caltech во главе с профессором теоретической физики Кэтрин Зурек (Kathryn Zurek) вернулись к чертежной доске, чтобы придумать новые идеи. Они изучали возможность того, что темная материя состоит из частиц "скрытого сектора", которые светлее, чем частицы, предложенные ранее, и теоретически могут быть найдены с помощью небольших, подземных стационарных приборов. В отличие от этого, ученые ищут кандидатов в более тяжелой темной материи под названием WIMPs (слабо взаимодействующие массивные частицы), используя крупномасштабные эксперименты, такие как XENON, который установлен под землей в резервуаре с водой на 70 000 галлонов в Италии.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

"Темная материя всегда течет через нас, даже в этой комнате", - говорит Зурек, которая более десятилетия назад впервые предложила частицы скрытого сектора. "По мере того, как мы движемся по центру галактики, этот устойчивый ветер темной материи в основном остается незамеченным". Но мы все еще можем воспользоваться этим источником темной материи и разработать новые способы поиска редких взаимодействий между ветром темной материи и детектором".

В новой статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters, физики описывают, как более легкие частицы темного вещества могут быть обнаружены с помощью квазичастицы, известной как магнон. Квазичастица - это возникающее явление, которое возникает, когда твердое тело ведет себя так, как если бы оно содержало слабо взаимодействующие частицы. Магноны - это тип квазичастицы, в которой электрон, действующий как маленький магнит, возбуждает коллективность. В идее исследователей для настольного эксперимента использовался бы магнитный кристаллизированный материал для поиска признаков возбуждения магнонов, генерируемых темной материей.

"Если частицы темной материи светлее протона, становится очень трудно обнаружить их сигнал обычными способами", - говорит автор исследования Чжэнкан (Кевин) Чжан, ученый-постдоктор Caltech. "Но, согласно многим хорошо мотивированным моделям, особенно тем, которые вовлекают скрытые секторы, частицы темной материи могут соединяться в спины электронов, так что, как только они ударят по материалу, они будут вызывать спиновые возбуждения, или магноны". Если мы уменьшим фоновый шум, охладив оборудование и переместив его под землю, мы сможем надеяться обнаружить магноны, созданные исключительно темной материей, а не обычной материей".

На данный момент такой эксперимент является только теоретическим, но в конечном итоге он может быть проведен с использованием небольших устройств, размещенных под землей, вероятно, в шахте, где внешнее воздействие других частиц, например, космических лучей, может быть сведено к минимуму.

Одним из признаков обнаружения темного вещества в  экспериментах были бы изменения сигнала, зависящие от времени суток. Это связано с тем, что магнитные кристаллы, которые будут использоваться для обнаружения темной материи, могут быть анизотропными, что означает, что атомы расположены так естественно, что они имеют тенденцию к более интенсивному взаимодействию с темной материей, когда темная материя поступает с определенных направлений.

"Когда Земля движется по галактическому ореолу темной материи, она чувствует, как ветер темной материи дует с того направления, в которое движется планета. Детектор, зафиксированный в определенном месте на Земле, вращается вместе с планетой, поэтому ветер темной материи в разное время суток попадает в нее с разных направлений, скажем, иногда сверху, иногда сбоку", - говорит Чжан.

"В течение дня, например, у вас может быть более высокая скорость обнаружения, когда темная материя поступает сверху, чем сбоку. Если бы вы это увидели, это было бы довольно зрелищно и очень убедительно свидетельствовало бы о том, что вы видели темную материю".

У исследователей есть и другие идеи о том, как темная материя может проявить себя, в дополнение к магнонам. Они предположили, что более светлые частицы темного вещества могут быть обнаружены как с помощью фотонов, так и с помощью другого типа квазичастиц, называемых фононами, которые вызываются колебаниями в кристаллической решетке. Предварительные эксперименты на основе фотонов и фононов проводятся в Калифорнийском университете в Беркли, где команда базировалась до прихода Зурек на факультет Caltech в 2019 году. Исследователи говорят, что использование этих множественных стратегий для поиска темной материи имеет решающее значение, потому что они дополняют друг друга и помогают подтвердить результаты друг друга.

"Мы ищем новые способы поиска темной материи, потому что, учитывая то, как мало мы знаем о темной материи, стоит рассмотреть все возможности", - говорит Чжан. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet