Что такое Темная материя? Мы не знаем. На этом этапе игры ученые заняты попытками обнаружить его и составить карту его присутствия и распространения по Вселенной. Обычно для этого используются высокотехнологичные и сложные телескопы.
Но новый подход предполагает создание настолько маленького устройства, что оно может разместиться на кухонном столе.
В результате сотрудничества Чикагского университета и Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми было создано настольное устройство под названием «Эксперимент с широкополосным отражателем для обнаружения аксионов» или «BREAD». BREAD создан для обнаружения темной материи, и его первые результаты теперь доступны в новой статье.
Статья называется «Первые результаты широкополосного поиска темных фотонов темной материи в диапазоне от 44 до 52 мкэВ с помощью коаксиальной тарельчатой антенны». Оно опубликовано в журнале Physical Review Letters, а его ведущий автор — Стефан Книрк. Книрк — постдокторант лаборатории Фермилаб, руководивший разработкой детектора.
Слово «таинственный» едва описывает темную материю. Она составляет около 85% вещества во Вселенной. Его невозможно увидеть, но о его присутствии можно судить по наблюдениям. Его масса удерживает галактики вместе; без него они бы разлетелись.
«Мы очень уверены, что что-то там есть, но есть много, много форм, которые это может принять».
Дэвид Миллер, Чикагский университет
Темную материю иногда называют основой Вселенной или каркасом, удерживающим обычную материю. Моделирование, подобное TNG Illustris, показало, как темная материя распределена по Вселенной в виде сети нитей и сгустков. Распределение скоплений галактик происходит по той же схеме.
Физики до сих пор не знают, что такое темная материя. Но оно есть, и есть несколько кандидатов.
«Мы абсолютно уверены, что что-то есть, но есть много, много форм, которые это может принять», — сказал доцент Чикагского университета Дэвид Миллер. Миллер является одним из руководителей эксперимента BREAD.
Одним из кандидатов является гипотетический тип частиц, называемый аксионом. Если они реальны и их масса находится в определенных пределах, они могут быть одним из компонентов темной материи.
Эксперимент BREAD сосредоточен на диапазоне масс 10,7–12,5 ГГц. В этом диапазоне он ищет темные фотоны, темную материю. Наряду с аксионами они являются одними из наиболее многообещающих кандидатов на роль темной материи. Темные фотоны — это гипотетический тип частиц, который, по мнению физиков, может действовать как переносчик силы для темной материи, подобно тому как фотоны являются носителями силы для электромагнетизма. Аксионы и темные фотоны связаны в поисках темной материи, но подробное объяснение выходит за рамки этой статьи. (Посмотрите видео Фрейзера Кейна, чтобы глубже погрузиться в проблему.)
Первый запуск BREAD длился 24 дня и ничего не обнаружил; если бы это было так, это была бы огромная новость, и мы все бы ее услышали. Но, поскольку его усилия настолько целенаправленны, отсутствие обнаружения по-прежнему является конструктивным.
«Мы очень воодушевлены тем, что нам удалось сделать на данный момент», — сказал Миллер. «У этой конструкции есть множество практических преимуществ, и мы уже продемонстрировали лучшую на сегодняшний день чувствительность в диапазоне 11–12 гигагерц. частота.»
Каждый кандидат на роль темной материи требует особого поиска. Физики создают детекторы, нацеленные на конкретных кандидатов. ХЛЕБ – это немного другое. Как следует из названия, это широкополосный детектор. Он может осуществлять поиск в широком диапазоне частот, хотя его точность страдает.
«Если вы думаете об этом как о радио, то поиск темной материи подобен настройке ручки 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».
Эта версия BREAD представляет собой уменьшенную версию полномасштабной версии. В конце концов ХЛЕБ окажется внутри магнита. Магнитное поле повысит вероятность того, что частицы темной материи превратятся в обнаруживаемые фотоны. Этот первый 24-дневный забег стал доказательством принципа.
«Это всего лишь первый шаг в серии захватывающих экспериментов, которые мы планируем».
Эндрю Зонненшайн, Фермилаб
Хотя это первое доказательство принципа не обнаружило никакой темной материи, результаты все равно оказались полезными. Прогон показал, что ХЛЕБ очень чувствителен в своем частотном диапазоне. Исследователи полагают, что они могут еще больше повысить чувствительность.
«Это всего лишь первый шаг в серии захватывающих экспериментов, которые мы планируем», — сказал Эндрю Зонненшайн из Fermilab, который первоначально разработал концепцию BREAD. «У нас есть много идей по повышению чувствительности нашего поиска аксионов».
Темная материя и ее состав — один из самых запутанных вопросов науки. Для Миллера ХЛЕБ — это больше, чем просто очередной научный эксперимент. Это говорит о творческом подходе, необходимом для тщательного изучения темной материи, и о том, как исследователи из разных институтов могут работать вместе для достижения прогресса.
«В науке 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».
