«Аксионное радио» может позволить физикам слушать сигналы темной материи
Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик
Темная материя — таинственное вещество. Есть мнение, что темная материя окружает нас — если она существует, но тот факт, что она невидима, делает ее довольно труднообнаруживаемой. Вместо того, чтобы пытаться ее увидеть, исследователи из Стокгольмского университета разработали эксперимент, чтобы вместо этого ее прослушать, используя то, что они называют «аксионное радио».
Более 85 процентов всей материи во вселенной известно только благодаря гравитационному взаимодействию с обычной материей. Этот таинственный материал, называемый темной материей, еще предстоит обнаружить. За последние годы было проведено много разных экспериментов, чтобы попытаться уловить сигналы от различных предполагаемых частиц темной материи.
В последние годы детектор частиц HADES исключил «темные фотоны» в качестве кандидата, а LUX и XENON1T ничего не показали при поиске слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP).
Но одно объяснение, которое все еще возможно, — гипотетическая элементарная частица, называемая аксион. Считается, что аксионы не будут дискретными частицами, а действуют как волны, текущие по всему пространству и редко взаимодействующие с обычной материей. В частности, аксионы, как полагают, имеют слабые — но обнаруживаемые — взаимодействия с электричеством и магнетизмом, и через это может быть они в конечном итоге проявят себя.
Стокгольмские исследователи разработали новый эксперимент, который мог бы прислушиваться к таким взаимодействиям. Детектор будет состоять из камеры, заполненной холодной плазмой, со множеством сверхтонких проводов, более тонких, чем человеческий волос. Вся конструкция будет заключена в большой мощный магнит.
Идея состоит в том, что внутри этого магнитного поля любые аксионы, проходящие через него, будут создавать небольшое электрическое поле. Это, в свою очередь, приведет к колебаниям в плазме, которые затем могут быть обнаружены как свидетельство самих аксионов. Перемещая провода ближе друг к другу или дальше друг от друга, это устройство можно настроить как радио, чтобы найти правильную частоту аксионов.
Предложенная конструкция отличается от предыдущих попыток найти аксионы. Несколько лет назад эксперимент nEDM проверил, изменят ли свое вращение нейтроны, находящиеся в очень контролируемой среде, свободной от помех, со временем. Если это так, это может быть свидетельством работы аксионов. В другом эксперименте под названием ABRACADABRA использовался кольцевой магнит. Технически в центре не должно быть магнитного поля — но если аксионы «плавают» повсюду, они могут создать его в этой мертвой зоне.
Оба эти эксперимента показали отрицательные результаты. Но нулевой результат не обязательно исключает существование аксионов — это просто означает, что они могут иметь меньшие массы или более слабые взаимодействия. Преимущество нового эксперимента в том, что холодная плазма усиливает любой потенциальный сигнал, поэтому эти более слабые взаимодействия могут быть обнаружены. Исследователи говорят, что их система также может быть сравнительно легко расширена.
«Это совершенно новый способ поиска темной материи, и он поможет нам найти одного из самых сильных кандидатов в темную материю в областях, которые полностью не исследованы», — говорит Александр Миллер, автор исследования. «Создание перестраиваемой плазмы позволило бы нам проводить гораздо лучшие эксперименты, чем традиционные методы, давая более сильные сигналы на высоких частотах».
Хотя конструкция пока остается теоретической, концепция уже разрабатывается для практических экспериментов, основанных на этой идее. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.