ЦЕРН использует антивещество для охоты на темную материю

Охота на темную материю — таинственное вещество, которое, кажется, превосходит обычную материю в соотношении пять к одному — до сих пор не увенчалась успехом. Теперь физики, проводящие эксперимент по барионной-антибарионной симметрии (BASE) в CERN, опробовали новый подход, используя другой странный материал — антиматерию (антивещество).

Темная материя и антиматерия лежат в основе двух самых больших неразгаданных тайн вселенной. Согласно астрономическим наблюдениям, в космосе гораздо больше массы, чем та, что мы можем увидеть, и эта невидимая масса называется темной материей.

Мы на самом деле не знаем, из чего она состоит, но существует целый ряд теорий, пытающихся это объяснить, включая электрически заряженные частицы, темные фотоны, сверхтяжелые гравитино или даже «темную жидкость» с отрицательной массой.

С другой стороны, антивещество — очень реальная вещь, которую мы можем создавать и изучать напрямую. По сути, это просто обычное вещество, обладающее противоположным зарядом, но это означает, что если частица и ее эквивалентная античастица встретятся, они уничтожат друг друга.

Модели предполагают, что равные количество материи и антиматерии должны были быть созданы во время Большого взрыва, но, по нашему опыту, антиматерия встречается крайне редко. Тогда возникает вопрос — где же вся антиматерия?

В новой работе физики захотели исследовать потенциальную связь между асимметрией вещества и антивещества и темной материей. Для этого они организовали эксперимент, аналогичный многим другим, которые проводились в прошлом.

Обычная экспериментальная установка для охоты на темную материю включает в себя изоляцию частиц, а затем тщательное наблюдение за ними на предмет любых аномалий, которые могут указывать на помехи от взаимодействий с темной материей.

Но хотя в прошлых экспериментах использовались частицы обычной материи, новое исследование заменяет их на антивещество. Команда ученых взяла антипротоны, созданные в ЦЕРНе, и поместила их в устройство, называемое ловушкой Пеннинга, которое не позволяет им касаться (и уничтожать) любой обычной материи. Один за другим они измеряли и переключали спиновые состояния этих антипротонов примерно тысячу раз за три месяца.

Идея состоит в том, что, проводя эти измерения в течение длительного периода, исследователи могут получить усредненную по времени частоту вращения антипротона. Затем, если с этим циклом случится что-то необычное, это может быть доказательством того, что частицы темной материи вмешиваются в процесс.

В частности, они искали кандидата на темную материю под названием аксион. Эти гипотетические частицы считаются нейтральными, очень легкими и текут по вселенной подобно волнам, иногда взаимодействуя с обычной материей — и антивеществом. Поскольку ранее тестировались только обычное вещество (пока безуспешно), исследователи попробовали антивещество, чтобы выяснить, не произойдет ли что-то другое.

В итоге физики не обнаружили никаких сигналов от взаимодействия темной материи с антиматерией. Тем не менее, нулевой результат означает, что аксион-антипротонные взаимодействия не происходят между 0,1 и 0,6 гигаэлектронвольт (ГэВ), в зависимости от массы аксиона. Медленно исключая различные комбинации, ученые могут сосредоточиться на загадочных вещах.

Но, по словам исследователей, получение сигнала в этом эксперименте всегда было маловероятным. Если бы они действительно получили сигнал в этом диапазоне, это означало бы огромное расхождение между свойствами вещества и антивещества, которые, как обычно думают, очень похожи — минус только противоположный заряд.

Тем не менее, это стоило проверить, поскольку сигнал помог бы сосредоточиться на темной материи и поставить новые вопросы о связи между веществом и антивеществом, а также антивеществом и темной материей.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.