Одна из величайших загадок современной науки — темная материя. Мы знаем, что темная материя существует благодаря ее воздействию на другие объекты в космосе, но нам никогда не удавалось увидеть ее напрямую. И это немаловажно: в настоящее время ученые считают, что он составляет около 85% всей массы Вселенной.
Новый эксперимент, проведенный совместными усилиями Чикагского университета и Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми, известный как «Эксперимент с широкополосным отражателем для обнаружения аксионов» или «BREAD», опубликовал свои первые результаты в поиске темной материи в исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters. Хотя они не нашли темную материю, они сузили границы ее возможного местонахождения и продемонстрировали уникальный подход, который может ускорить поиск загадочного вещества при относительно небольших затратах и пространстве.
«Мы очень воодушевлены тем, что нам удалось сделать на данный момент,» сказал доцент Университета Чикаго. Профессор Дэвид Миллер, соруководитель эксперимента вместе с Эндрю Зонненшайном из Fermilab, который первоначально разработал концепцию эксперимента. «Эта конструкция имеет множество практических преимуществ, и мы уже продемонстрировали лучшую на сегодняшний день чувствительность на этой частоте 11–12 гигагерц.»
«Этот результат является важной вехой для нашей концепции, впервые демонстрируя силу нашего подхода.» — сказал постдокторант лаборатории Фермилаб и ведущий автор исследования Стефан Книрк, который возглавлял разработку и эксплуатацию детектора. «Замечательно заниматься такой творческой настольной наукой, когда небольшая команда может делать все, от построения эксперимента до анализа данных, но при этом оказывать большое влияние на современную физику элементарных частиц.»
«Что-то есть»
Когда мы оглядываем Вселенную, мы видим, что какое-то вещество оказывает достаточную гравитацию, чтобы притягивать звезды и галактики и проходящий свет, но ни один телескоп или устройство никогда напрямую не уловило источник — отсюда и название. «темная материя.»
Однако, поскольку никто никогда не видел темную материю, мы даже не знаем точно, как она может выглядеть, и даже не знаем, где ее искать. «Мы абсолютно уверены, что что-то там есть, но есть много, много форм, которые это может принять.» — сказал Миллер.
Ученые наметили несколько наиболее вероятных вариантов мест и форм для поиска. Обычно подход заключался в создании детекторов, которые очень тщательно обследуют одну конкретную область (в данном случае набор частот), чтобы исключить ее.
Но группа ученых исследовала другой подход. Их дизайн «широкополосный доступ,» это означает, что он может искать больший набор возможностей, хотя и с немного меньшей точностью.
«Если вы думаете об этом как о радио, то поиск темной материи подобен настройке набора для поиска одной конкретной радиостанции, за исключением того, что нужно проверить миллион частот.» — сказал Миллер. «Наш метод подобен тщательному сканированию 100 000 радиостанций, а не нескольких.»
Доказательство концепции
Детектор BREAD ищет определенное подмножество возможностей. Он создан для поиска темной материи в форме того, что известно как «аксионы» или «темные фотоны»— частицы с чрезвычайно малой массой, которые при правильных обстоятельствах могут быть преобразованы в видимый фотон.
Таким образом, ХЛЕБ состоит из металлической трубки с изогнутой поверхностью, которая улавливает и направляет потенциальные фотоны к датчику на одном конце. Вся эта штука достаточно мала, чтобы ее можно было обхватить руками, что необычно для подобных экспериментов. В полномасштабной версии BREAD будет помещен внутри магнита для создания сильного магнитного поля, что увеличивает шансы на преобразование частиц темной материи в фотоны.
Однако для доказательства принципа команда провела эксперимент без магнитов. В ходе сотрудничества прототип устройства эксплуатировался в Калифорнийском университете в Чикаго около месяца и анализировал данные.
По словам ученых, результаты очень многообещающие: они демонстрируют очень высокую чувствительность на выбранной частоте.
После того как результаты, опубликованные в Physical Review Letters, были приняты, BREAD был помещен в перепрофилированный магнит МРТ в Аргоннской национальной лаборатории и собирает больше данных. В его будущем доме, в Национальной ускорительной лаборатории Ферми, будет использоваться еще более сильный магнит.
«Это лишь первый шаг в серии захватывающих экспериментов, которые мы планируем.» — сказал Зонненшайн. «У нас есть много идей по повышению чувствительности нашего поиска аксионов.»
«В науке все еще так много открытых вопросов и огромное пространство для новых творческих идей для решения этих вопросов.» — сказал Миллер. «Я думаю, что это действительно яркий пример такого рода творческих идей – в данном случае, эффективное партнерство между мелкомасштабной наукой в университетах и крупномасштабной наукой в национальных лабораториях.»
Прибор BREAD был построен в Фермилабе в рамках программы исследований и разработок детекторов, а затем эксплуатировался в Калифорнийском университете в Чикаго, где были собраны данные для этого исследования. Аспирант Чикагского университета Гейб Хосино руководил работой детектора вместе со студентами бакалавриата Алексом Лапуэнте и Мирой Литтманн.
В Аргоннской национальной лаборатории имеется магнитная установка, которая будет использоваться на следующем этапе физической программы ХЛЕБ. Другие учреждения, в том числе Национальная ускорительная лаборатория SLAC, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, Иллинойский технологический институт, Массачусетский технологический институт, Лаборатория реактивного движения, Вашингтонский университет, Калифорнийский технологический институт и Иллинойский университет в Урбана-Шампейн, работают с Калифорнийским университетом в Чикаго и Фермилабом над Исследования и разработки будущих версий эксперимента.
Информация от: Чикагским университетом
