Темная материя получила свое название из-за того, что ее составляющие никак не взаимодействуют с обычным веществом. Однако ученые все же надеются на то, что она состоит из частиц, которые называются аксионами и могут проявлять себя в определенных типах взаимодействия.
Невидимая темная материя
Наблюдения показывают, что около 85% всего вещества во Вселенной являются невидимыми и загадочными. Они получили от ученых название «темная материя», хотя на самом деле нет уверенности даже в том, что это не несколько разных вещей, объединенных под общим названием.
Целью нескольких экспериментов было выяснить, из чего состоит темная материя, но, несмотря на десятилетия поисков, астрономы не достигли успеха. Новый эксперимент ученых из Йельского университета может наконец дать возможность увидеть эти загадочные частицы.
Темная материя существует во Вселенной с начала времен, она заставляет звезды и галактики держаться вместе. Невидимая и тонкая, она, кажется, не взаимодействует со светом или любым другим видом материи. На самом деле это должно быть что-то совершенно новое.
Аксионы
Ключом к пониманию темной материи может быть такая всем известная частица, как нейтрон. Все попытки выяснить, действительно ли она является нейтральной, заканчивались одним результатом: если он и существует, то слишком мал, чтобы его можно было обнаружить. И речь идет не об инструментальных недостатках, а о параметре, который должен быть меньше, чем одна часть на 10 миллиардов. С практической точки зрения его так или иначе можно считать нулевым.
В физике, однако, математический ноль всегда является сильным утверждением. В конце 70-х годов физики элементарных частиц Роберто Печчеи и Хелен Куинн (а позже Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг) попытались согласовать теорию и доказательства.
Они предположили, что, возможно, заряд нейтрона не всегда был равен нулю. Скорее всего, это динамическая величина, которая постепенно стремилась к современному значению после Большого взрыва. Теоретические расчеты показывают, что, если такое событие произошло, оно должно было оставить после себя множество легких и неуловимых частиц.
Их назвали аксионами в честь марки моющего средства, потому что они могли «очистить» нейтронную проблему. И даже больше. Если аксионы были созданы в ранней Вселенной, то они до сих пор должны где-то существовать.
Самое главное, что их свойства соответствуют всем ожиданиям относительно темной материи. По этим причинам аксионы стали одними из самых любимых частиц-кандидатов на роль ее составляющих, однако особенно легче не стало, потому что они все равно взаимодействуют с обычным веществом слишком слабо для легкого обнаружения.
Как обнаружить частицы темной материи
Многие эксперименты пытаются вызвать аксионы в контролируемой среде лаборатории. Некоторые из них направлены, например, на преобразование света в аксионы, а затем аксионов обратно в свет.
Сейчас лучший подход нацелен на гало темной материи, пронизывающей галактику (и, соответственно, Землю), с помощью прибора, который называется галоскопом. Это капсула с проводящей средой внутри, погруженная в сильное магнитное поле. Если темная материя действительно состоит из аксионов, то таким образом можно заставить ее превратиться в обычное вещество. В результате внутри полости появляется электромагнитный сигнал, который колеблется с характерной частотой, зависящей от массы аксионов.
Система работает как радиоприемник. Ее нужно правильно настроить, чтобы перехватить частоту, которая нас интересует. На практике размеры полости меняются, чтобы приспособиться к различным характерным частотам.
Однако на этом пути есть существенные проблемы. Космология указывает на то, что искать аксионы лучше всего на частотах в десятки гигагерц. А это означает, что капсула для таких экспериментов должна быть чрезвычайно малой, настолько, что ее трудно изготовить.
Новый эксперимент поможет обнаружить частицы
Новые эксперименты пытаются найти альтернативные пути. Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) использует новую концепцию капсулы на основе метаматериалов.
Метаматериалы — это композитные материалы с глобальными свойствами, которые отличаются от их составляющих, они являются чем-то большим, чем сумма их частей. Полость, заполненная проводящими стержнями, получает характерную частоту, будто она стала в миллион раз меньше, при этом почти не изменив своего объема. Это именно то, что нам нужно. Кроме того, стержни обеспечивают встроенную, легко регулируемую систему настройки.
Сейчас ученые строят установку, которая будет готова к приему данных через несколько лет. Технология перспективная, ее разработка является результатом сотрудничества между физиками твердого тела, электротехниками, физиками элементарных частиц и даже математиками.
По материалам phys.org
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
