Темна матерія отримала свою назву через те, що її складові ніяк не взаємодіють зі звичайною речовиною. Проте вчені все ж сподіваються на те, що вона складається з частинок, які називаються аксіонами й можуть виявляти себе у певних типах взаємодії.
Невидима темна матерія
Спостереження показують, що близько 85% всієї речовини у Всесвіті є невидимими та загадковими. Вони отримали від вчених назву «темна матерія», хоча насправді немає впевненості навіть у тому, що це не кілька різних речей, об’єднаних під спільною назвою.
Кілька експериментів мали на меті з’ясувати, з чого складається темна матерія, але, незважаючи на десятиліття пошуків, вчені не досягли успіху. Новий експеримент науковців з Єльського університету може нарешті дати можливість побачити ці загадкові частинки.
Темна матерія існує у Всесвіті від початку часів, вона примушує зорі та галактики триматися разом. Невидима і тонка, вона, здається, не взаємодіє зі світлом або будь-яким іншим видом матерії. Насправді це має бути щось абсолютно нове.
Аксіони
Ключем до розуміння темної матерії може бути така всім відома частинка, як нейтрон. Усі спроби з’ясувати, чи дійсно вона є нейтральною, закінчувалися одним результатом: якщо він і існує, то занадто малий, щоб його можна було виявити. І йдеться не про інструментальні недоліки, а про параметр, який має бути меншим, ніж одна частина на 10 мільярдів. З практичної точки зору його так чи інакше можна вважати нульовим.
У фізиці, однак, математичний нуль завжди є сильним твердженням. Наприкінці 70-х років фізики елементарних частинок Роберто Печчеї та Хелен Квінн (а пізніше Френк Вільчек і Стівен Вайнберг) спробували узгодити теорію і докази.
Вони припустили, що, можливо, заряд нейтрона не завжди дорівнював нулю. Швидше за все, це динамічна величина, яка поступово прямувала до сучасного значення після Великого вибуху. Теоретичні розрахунки показують, що, якщо така подія відбулася, вона мала залишити після себе безліч легких і невловних частинок.
Їх назвали аксіонами на честь марки мийного засобу, бо вони могли «очистити» нейтронну проблему. І навіть більше. Якщо аксіони були створені в ранньому Всесвіті, то вони досі мають десь існувати.
Найголовніше, що їхні властивості відповідають усім очікуванням щодо темної матерії. З цих причин аксіони стали одними з найулюбленіших частинок-кандидатів на роль її складових, однак особливо легше не стало, бо вони все одно взаємодіють зі звичайною речовиною занадто слабо для легкого виявлення.
Як виявити частинки темної матерії
Багато експериментів намагаються викликати аксіони у контрольованому середовищі лабораторії. Деякі з за допомогою приладу, який називається галоскопом. Це капсула з провідним середовищем всередині, занурена в сильне магнітне поле. Якщо темна матерія дійсно складається з аксіонів, то таким чином можна примусити її перетворитися на звичайну речовину. В результаті всередині порожнини з’являється електромагнітний сигнал, який коливається з характерною частотою, що залежить від маси аксіонів.
Система працює як радіоприймач. Її потрібно правильно налаштувати, щоб перехопити частоту, яка нас цікавить. На практиці розміри порожнини змінюються, щоб пристосуватись до різних характерних частот.
Проте на цьому шляху є суттєві проблеми. Космологія вказує на те, що шукати аксіони краще за все на частотах в десятки гігагерц. А це означає, що капсула для таких експериментів має бути надзвичайно малою, настільки, що її важко виготовити.
Новий експеримент допоможе виявити частинки
Нові експерименти намагаються знайти альтернативні шляхи. Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) використовує нову концепцію капсули на основі метаматеріалів.
Метаматеріали — це композитні матеріали з глобальними властивостями, які відрізняються від їхніх складових, вони є чимось більшим, ніж сума їхніх частин. Порожнина, заповнена провідними стрижнями, отримує характерну частоту, ніби вона стала в мільйон разів меншою, при цьому майже не змінивши свого об’єму. Це саме те, що нам потрібно. Крім того, стрижні забезпечують вбудовану, легко регульовану систему налаштування.
Наразі вчені будують установку, яка буде готова до прийому даних через кілька років. Технологія перспективна. Її розробка є результатом співпраці між фізиками твердого тіла, електротехніками, фізиками елементарних частинок і навіть математиками.
За матеріалами phys.org
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine
