Преобразование невидимой темной материи в видимый свет

Скопление галактик (слева), справа видно кольцо темной материи. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, М. Дж. Джи и Х. Форд (Университет Джонса Хопкинса)

Исследования темной материи продвигаются вперед с использованием новых экспериментальных методов, предназначенных для обнаружения осей, а также использования передовых технологий и междисциплинарного сотрудничества для раскрытия секретов этого неуловимого компонента Вселенной.

Призрак бродит по нашему миру. Это известно в астрономии и космологии уже несколько десятилетий. Примечания Я предлагаю это около 85% Вся материя во Вселенной загадочна и невидима. Эти два качества отражены в ее названии: темная материя.

Несколько экспериментов Они стремятся раскрыть их ингредиенты, но, несмотря на десятилетия исследований, учёным это не удалось. сейчас Наш новый опытстроящийся в г. Йельский университет В США предлагается новая тактика.

Темная материя окружала Вселенную с начала времен. Соедините звезды и галактики вместе. Невидимый и тонкий, он, кажется, не взаимодействует со светом или любым другим типом материи. На самом деле это должно быть что-то совершенно новое.

Стандартная модель физики элементарных частиц неполна, и это проблема. Нам придется искать новое Фундаментальные частицы. Удивительно, но те же недостатки стандартной модели дают ценные подсказки о том, где они могут скрываться.

Проблема с нейтроном

Возьмем, к примеру, нейтрон. Вместе с протоном он образует атомное ядро. Хотя теория в целом нейтральна, она утверждает, что она состоит из трех заряженных частиц, называемых кварками. По этой причине мы ожидаем, что некоторые части нейтрона будут заряжены положительно, а другие отрицательно, то есть у него будет то, что физики называют электрическим дипольным моментом.

До настоящего времени, Много попыток Измерения привели к такому же выводу: он слишком мал, чтобы его можно было обнаружить. Еще один призрак. Речь идет не о недостатках инструментов, а о факторе, который должен быть меньше одной десятимиллиардной. Оно настолько мало, что люди задаются вопросом, может ли оно быть полностью нулевым.

Но в физике математический ноль всегда является сильным утверждением. В конце 1970-х годов физики элементарных частиц Роберто Пиччи и Хелен Койн (а позже Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг) попытались открыть Понимание теории и доказательств.

Они предположили, что параметр, вероятно, не равен нулю. Скорее, это динамическая величина, которая медленно теряет свой заряд, а затем стремится к нулю. великий взрыв. Теоретические расчеты показывают, что если бы такое событие произошло, оно должно было оставить после себя большое количество иллюзорных световых частиц.

Их называют «аксионами» в честь марки моющего средства, потому что они могут «решить» проблему нейтронов. И даже больше. Если аксионы были созданы в начале Вселенной, они существовали с тех пор. Самое главное, что ее свойства определяют все ожидаемые элементы темной материи. По этим причинам хабы стали одним из Предпочтительные частицы-кандидаты Для темной материи.

Аксионы будут слабо взаимодействовать с другими частицами. Однако это означает, что они все равно будут довольно много взаимодействовать. Невидимые оси могут превращаться в обычные частицы, включая, по иронии судьбы, фотоны, суть света. Это может произойти при определенных условиях, например, при наличии магнитного поля. Это находка для физиков-экспериментаторов.

Экспериментальная дизайн

Множество экспериментов Они пытаются вызвать призрак Аксиона в контролируемой лабораторной среде. Некоторые из них стремятся, например, преобразовать свет в ось, а затем преобразовать ось в свет по другую сторону стены.

В настоящее время наиболее чувствительный подход нацелен на гало темной материи, которое пронизывает галактику (и, следовательно, Землю), с помощью устройства, называемого короной. Это проводящая полость, погруженная в сильное магнитное поле. Первый улавливает окружающую нас темную материю (при условии, что это аксоны), а второй побуждает ее превратиться в свет. В результате внутри полости появляется электромагнитный сигнал, колеблющийся с характерной частотой, зависящей от массы аксиона.

Система работает как радиоприемник. Его необходимо правильно настроить, чтобы перехватить интересующую частоту. На практике размеры резонатора изменяются для соответствия различным характеристическим частотам. Если частоты аксиона и резонатора не совпадают, это похоже на настройку радио не на тот канал.

Мощный магнит доставлен в лабораторию Йельского университета. Кредит: Йельский университет.

К сожалению, канал, который мы ищем, невозможно предсказать заранее. У нас нет другого выбора, кроме как сканировать все возможные частоты. Это все равно, что выбирать радиостанцию ​​в море белого шума — иголку в стоге сена — со старым радиоприемником, который нужно увеличивать или уменьшать каждый раз, когда мы поворачиваем ручку частоты.

Однако это не единственные проблемы. Космология относится к Десятки гигагерц Как последний перспективный рубеж поиска аксионов. Поскольку более высокие частоты требуют меньших полостей, для исследования этой области потребуются полости, которые слишком малы, чтобы уловить значимое количество сигнала.

Новые эксперименты пытаются найти альтернативные пути. наш Эксперимент с продольным плазмоскопом (Альфа). Он использует новую концепцию кавитации, основанную на метаматериалы.

Метаматериалы — это композиционные материалы с универсальными свойствами, которые отличаются от их компонентов — они представляют собой нечто большее, чем просто сумму своих частей. Полость, заполненная проводящими стержнями, имеет характерную частоту, как если бы она была в миллион раз меньше, а ее размеры почти не меняются. Это именно то, что нам нужно. Кроме того, рули имеют встроенную, легко регулируемую систему регулировки.

Сейчас мы строим установку, которая будет готова принимать данные через несколько лет. Технология перспективная. Его разработка стала результатом сотрудничества физиков твердого тела, инженеров-электриков, физиков элементарных частиц и даже математиков.

Хотя это и надуманно, но аксионы способствуют прогрессу, который ни один призрак никогда не сможет остановить.

Автор: Андреа Галло Руссо, научный сотрудник по физике Стокгольмского университета.

Адаптировано из статьи, первоначально опубликованной в Беседа.