Скопление галактик слева, справа видно кольцо темной материи. Кредит: НАСА
Призрак бродит по нашей вселенной. Это известно в астрономии и космологии уже несколько десятилетий. Наблюдения показывают, что около 85% всей материи во Вселенной загадочны и невидимы. Эти два качества отражены в ее названии: темная материя.
Несколько экспериментов были направлены на то, чтобы раскрыть, из чего он сделан, но, несмотря на десятилетия поисков, ученые не добились успеха. Теперь наш новый эксперимент, строящийся в Йельском университете в США, предлагает новую тактику.
Темная материя окружает Вселенную с незапамятных времен, сближая звезды и галактики. Невидимый и тонкий, он, кажется, не взаимодействует со светом или какой-либо другой материей. На самом деле это должно быть что-то совершенно новое.
Стандартная модель физики элементарных частиц неполна, и это проблема. Нам приходится искать новые фундаментальные частицы. Удивительно, но те же недостатки стандартной модели дают ценные подсказки о том, где они могут скрываться.
Проблема с нейтроном
Возьмем, к примеру, нейтрон. Вместе с протоном он составляет атомное ядро. Несмотря на то, что в целом теория нейтральна, теория утверждает, что она состоит из трех заряженных составляющих частиц, называемых кварками. Из-за этого мы могли бы ожидать, что некоторые части нейтрона будут заряжены положительно, а другие отрицательно – это означало бы, что у него было то, что физики называют электрическим дипольным моментом.
Тем не менее, многие попытки измерить его привели к одному и тому же результату: он слишком мал, чтобы его можно было обнаружить. Еще один призрак. И речь идет не об инструментальных недостатках, а о параметре, который должен быть меньше одной десятимиллиардной. Он настолько мал, что люди задаются вопросом, может ли он вообще быть нулевым.
Однако в физике 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) пытались согласовать теорию и доказательства.
Они предположили, что, возможно, параметр не равен нулю. Скорее, это динамическая величина, которая медленно потеряла свой заряд, эволюционируя до нуля после Большого взрыва. Теоретические расчеты показывают, что если такое событие произошло, то оно должно было оставить после себя множество легких, коварных частиц.
Их назвали «аксионами» в честь марки моющего средства, потому что они могли «прояснить» нейтронную проблему. И даже больше. Если аксионы были созданы в ранней Вселенной, они с тех пор торчат повсюду. Самое главное, их свойства соответствуют всем требованиям, ожидаемым от темной материи. По этим причинам аксионы стали одними из любимых частиц-кандидатов на роль темной материи.
Аксионы будут слабо взаимодействовать с другими частицами. Однако это означает, что они все равно будут немного взаимодействовать. Невидимые аксионы могут даже трансформироваться в обычные частицы, включая, по иронии судьбы, фотоны, саму суть света. Это может произойти при определенных обстоятельствах, например, при наличии магнитного поля. Это находка для физиков-экспериментаторов.
Экспериментальная дизайн
Многие эксперименты пытаются вызвать аксион-призрак в контролируемой среде лаборатории. Некоторые стремятся, например, преобразовать свет в аксионы, а затем обратно в свет по другую сторону стены.
В настоящее время наиболее чувствительный подход нацелен на ореол темной материи, пронизывающий галактику (и, следовательно, Землю), с помощью устройства, называемого галоскопом. Это проводящая полость, погруженная в сильное магнитное поле; первый захватывает окружающую нас темную материю (при условии, что это аксионы), а второй вызывает преобразование в свет. В результате внутри полости появляется электромагнитный сигнал, колеблющийся с характерной частотой, зависящей от массы аксиона.
Система работает как приемное радио. Его необходимо правильно настроить, чтобы перехватить интересующую нас частоту. На практике размеры резонатора изменяются для соответствия различным характеристическим частотам. Если частоты аксиона и полости не совпадают, это все равно, что настроить радио не на тот канал.
К сожалению, канал, который мы ищем, невозможно предсказать заранее. У нас нет другого выбора, кроме как сканировать все потенциальные частоты. Это все равно, что выбирать радиостанцию в море белого шума — иголку в стоге сена — с помощью старого радио, которое должно становиться больше или меньше каждый раз, когда мы поворачиваем ручку частоты.
Однако это не единственные проблемы. Космология указывает на десятки гигагерц как на новейший многообещающий рубеж поиска аксионов. Поскольку более высокие частоты требуют меньших резонаторов, для исследования этой области потребуются слишком маленькие резонаторы, чтобы уловить значимое количество сигнала.
Новые эксперименты пытаются найти альтернативные пути. В нашем эксперименте с аксионным продольно-плазменным галоскопом (Альфа) используется новая концепция полости, основанная на метаматериалах.
Метаматериалы — это композиционные материалы с глобальными свойствами, которые отличаются от их составляющих — они представляют собой нечто большее, чем просто сумму своих частей. Полость, заполненная проводящими стержнями, приобретает характерную частоту, как если бы она была в миллион раз меньше, практически не изменяя при этом свой объем. Это именно то, что нам нужно. Кроме того, стержни имеют встроенную, легко регулируемую систему настройки.
Сейчас мы строим установку, которая будет готова принимать данные через несколько лет. Технология перспективная. Его разработка является результатом сотрудничества физиков твердого тела, инженеров-электриков, физиков элементарных частиц и даже математиков.
Несмотря на свою неуловимость, аксионы способствуют прогрессу, который никогда не сможет отнять ни один призрак.
Информация от: Разговором
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
