Карта темной материи 2021 года с использованием набора данных слабого гравитационного линзирования. Фото: Исследование темной энергии. darkenergysurvey.org/des-year-3-cosmology-results-papers/.
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters (PRL), предложило новый метод обнаружения легких кандидатов на темную материю с использованием лазерной интерферометрии для измерения осциллирующих электрических полей, генерируемых этими кандидатами.
Темная материя — одна из самых актуальных проблем современной физики, поскольку частицы темной материи неуловимы и их трудно обнаружить. Это побудило ученых придумать новые и инновационные способы поиска этих частиц.
Есть несколько кандидатов на роль частиц темной материи, таких как вимпы, легкие частицы темной материи (аксионы) и гипотетическое гравитино. Легкая темная материя, включая бозонные частицы, такие как аксион КХД (квантовая хромодинамика), стала предметом интереса в последние годы.
Эти частицы обычно подавляют взаимодействие со стандартной моделью, что затрудняет их обнаружение. Однако знание их характеристик, в том числе их волнового поведения и когерентной природы в галактических масштабах, помогает разрабатывать более эффективные эксперименты.
В новом исследовании PRL исследователи из Университета Мэриленда и Университета Джона Хопкинса предложили галактический аксионный лазерный интерферометр, использующий электрооптику или GALILEO, новый подход для обнаружения как аксионной, так и темной фотонной темной материи в широком диапазоне масс.
Ведущий исследователь Реза Эбади, аспирант Центра квантовых технологий (QTC) Университета Мэриленда, рассказал Phys.org об исследовании и мотивации разработки этого нового подхода: «Хотя стандартная модель обеспечивает успешное объяснение явлений, начиная от субъядерных расстояний до размеров Вселенной, это не полное объяснение природы».
«Он не может объяснить космологические наблюдения, из которых делается вывод о существовании темной материи. Мы стремимся получить представление о физических теориях, действующих в галактических масштабах, с помощью небольших лабораторных экспериментов».
Аксионы и аксионоподобные частицы
Аксионы и аксионоподобные частицы изначально были предложены для решения проблем физики элементарных частиц, таких как проблема сильной зарядовой четности (CP). Эта проблема возникает из наблюдения, что сильное взаимодействие, по-видимому, не демонстрирует особого типа нарушения симметрии, называемого CP-нарушением, в той степени, в какой это предсказывает теория.
Эта теоретическая основа естественным образом приводит к появлению аксионоподобных частиц, которые имеют сходные с аксионами свойства, причем оба являются бозонами.
Предполагается, что аксионы и аксионоподобные частицы будут иметь очень малую массу, обычно в пределах от микроэлектронвольтов до миллиэлектронвольтов. Это делает их подходящими кандидатами на роль легкой темной материи, поскольку они могут демонстрировать волновое поведение в галактических масштабах.
Помимо малой массы, аксионы и аксионоподобные частицы очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, что затрудняет их обнаружение обычными средствами.
Вот некоторые причины, по которым исследователи решили обнаружить эти частицы в своей экспериментальной установке. Однако метод основан на колебательных электрических полях, создаваемых этими частицами.
В регионах со значительной плотностью темной материи аксионы и ЩФ могут испытывать когерентные колебания. Эти когерентные колебания могут порождать обнаруживаемые сигналы, такие как колебательные электрические поля, которые и призван измерить предлагаемый эксперимент GALILEO.
Прогнозируемая чувствительность эксперимента GALILEO для поиска темной материи аксионов (слева) и темных фотонов (справа). Фото: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.101001.
ГАЛИЛЕО
«Легкие кандидаты на темную материю ведут себя как волны в окрестностях Солнца. Предполагается, что такие волны темной материи будут индуцировать очень слабые колеблющиеся электрические поля с магнитными полями из-за их незначительного взаимодействия с электромагнетизмом».
«Мы сосредоточились на обнаружении электрического поля, а не магнитного поля, которое является целевым сигналом в большинстве текущих и предлагаемых экспериментов», — объяснил Эбади.
Легкие электрические поля, индуцированные темной материей, можно обнаружить с помощью электрооптических материалов, где внешнее электрическое поле изменяет свойства материала, такие как показатель преломления.
GALILEO использует асимметричный интерферометр Майкельсона — устройство, которое может измерять изменения показателя преломления. Одно плечо интерферометра содержит электрооптический материал.
Когда зондирующий лазерный луч разделяется и проходит через два плеча интерферометра, плечо, содержащее электрооптический материал, создает переменный показатель преломления. Это изменение показателя преломления влияет на фазу лазерного луча, что приводит к возникновению осциллирующего сигнала, когда лучи снова сливаются вместе.
Измеряя дифференциальную фазовую скорость между двумя плечами интерферометра, GALILEO может определить частоту колебаний, вызванных легкой темной материей. Этот колебательный сигнал служит признаком присутствия частиц темной материи.
Чувствительность метода можно повысить за счет включения резонаторов Фабри-Перо (которые увеличивают длину плеча интерферометра, обеспечивая большую точность) и проведения повторных независимых измерений.
Лазерная интерферометрия и внедрение GALILEO
Исследование основано на точных измерениях с помощью лазерной интерферометрии.
Эбади объяснил: «Ярким примером того, как лазерные интерферометры можно использовать для точных измерений, является LIGO, наземный детектор гравитационных волн».
«В нашем предложении используются те же технологические достижения, что и в LIGO, такие как полости Фабри-Перо или сжатый свет для подавления предела квантового шума. Однако, в отличие от LIGO, предлагаемый интерферометр GALILEO представляет собой устройство настольного масштаба».
Несмотря на то, что работа носит теоретический характер, у исследователей уже есть планы поэтапной реализации экспериментальной программы.
Важно отметить, что они хотят определить технические параметры, необходимые для оптимизированной экспериментальной установки, которую планируют использовать для проведения научных экспериментов по поиску легкой темной материи.
Кроме того, Эбади подчеркивает важность работы с высокоточными резонаторами Фабри-Перо вместе с электрооптическим материалом внутри резонатора, а также определение характеристик баланса шума и систематики установки, которые являются ключевыми аспектами экспериментального процесса.
«GALILEO потенциально может стать важным компонентом более масштабной миссии по исследованию обширного теоретически жизнеспособного пространства кандидатов на темную материю», — заключил Эбади.
