Левитирующий магнит для поиска частиц темной материи, которые в миллионы раз тяжелее атомов

Физики из Университета Райса превратили крошечный левитирующий магнит в детектор для поиска сверхтяжелой темной материи. Ученые не нашли саму частицу, но впервые установили жесткие ограничения на то, насколько сильно такие частицы могут взаимодействовать с обычным веществом. Результаты представлены на Международной конференции по физике элементарных частиц и космологии 2026 года (International Conference on Particle Physics and Cosmology).

Темная материя уже давно остается одной из главных загадок современной науки. Мы знаем, что она существует, потому что видим, как галактики вращаются и держатся вместе под действием какой-то невидимой силы. Но что именно представляет собой эта материя, до сих пор неизвестно. Большинство экспериментов ищут частицы темной материи, масса которых примерно сравнима с массой атомов. Однако некоторые теории допускают, что существуют гораздо более тяжелые варианты — такие, что одна частица могла бы весить как целая живая клетка. Именно за такими «тяжеловесами» и решила охотиться группа исследователей под руководством Кристофера Таннелла, доцента кафедры физики и астрономии Университета Райса.

Идея эксперимента была одновременно простой и изящной. Ученые взяли постоянный магнит размером примерно с песчинку и заставили его левитировать над сверхпроводником, охлажденным почти до абсолютного нуля. При такой температуре магнит не касается никакой поверхности, а значит, трение практически исчезает. Достаточно даже ничтожно слабого толчка, чтобы он сдвинулся с места. Исследователи научились замечать смещение, которое составляет всего одну сотую ширины атома. Это позволило им искать не постоянный сигнал, а отдельные импульсы, моменты, когда гипотетическая сверхтяжелая частица темной материи пролетает сквозь детектор и слегка задевает его.

Важно понимать, чем этот подход отличается от традиционных поисков. Крупные подземные детекторы, которые обычно используются для охоты на легкие частицы, не предназначены для регистрации тяжелых «гостей». Они просто не почувствуют их. А вот легкий, но чрезвычайно чувствительный левитирующий магнит, наоборот, может уловить слабый толчок от массивной частицы. Как объяснил Цзюэхан Цинь, ведущий автор работы, задача состояла в том, чтобы сделать прибор максимально «тихим» и в то же время чутким. Если что-то необычное его заденет, ученые должны увидеть это движение и понять, не темная ли это материя.

Сбор данных велся около месяца. Особое внимание уделялось спокойным ночным периодам, когда внешние помехи сведены к минимуму. В этом исследовании участвовали и ученые из Лейдена, Нидерланды — города, где почти сто лет назад были получены первые свидетельства того, что невидимая материя влияет на движение звезд. Правда, сам эксперимент проводился не в Лейдене, а в лаборатории Университета Райса, но сотрудничество с голландскими коллегами помогло правильно интерпретировать результаты.

Стоит отметить, что этот же прибор ранее использовался для поиска сверхлегкой темной материи, которая создавала бы слабый, но повторяющийся сигнал. Однако для сверхтяжелых частиц нужна совсем другая стратегия. Вместо того чтобы вслушиваться в непрерывный «шум», исследователи ждали резкого, одиночного толчка. Как выразился Дориан Амарал, бывший научный сотрудник Университета Райса и один из ведущих авторов, никто раньше не объединял датчик такого типа, такую чувствительность и столь длительное время наблюдения для поиска сверхтяжелой темной материи. Перспективность подхода в том, что технология, созданная для измерения крошечных сил, была применена к совершенно другому диапазону масс.

Для успеха эксперимента требовались три составляющие: относительно тяжелый датчик, способность улавливать мельчайшие силы и долгие периоды стабильных измерений. Все вместе это позволило заглянуть в ту область масс, которая была недоступна предыдущим опытам с левитирующими частицами. В ходе работы ученые исследовали девять порядков величины массы темной материи. Им удалось охватить частицы, которые примерно в десять миллионов раз тяжелее тех, что изучались в прошлых экспериментах по левитации. В среднем диапазоне поиска магнит массой в миллиграмм наложил очень строгие ограничения на силу взаимодействия таких частиц с обычным веществом.

Главный результат, как это часто бывает в фундаментальной науке, это отсутствие сигнала. Исследователи не обнаружили никаких доказательств того, что сверхтяжелая частица темной материи взаимодействовала с детектором. Но с другой стороны это не неудача, а шаг вперед. Отсутствие сигнала позволило исключить целые комбинации массы частицы и силы ее взаимодействия, которые, если бы существовали, обязательно проявили бы себя. Тем самым ученые сузили круг мест, где может скрываться темная материя. Большие детекторы по-прежнему нужны для поиска легких частиц, но левитирующие магниты доказали, что способны исследовать гораздо более тяжелых кандидатов.

В дальнейшем научная группа планирует еще сильнее охладить магнит и собирать данные более длительное время. Кроме того, исследователи хотят заставить левитировать сразу несколько магнитов, чтобы отличить возможное взаимодействие с темной материей от вибраций и других фоновых помех. Чем больше таких «песчинок» будет парить в вакууме, тем надежнее можно будет отсеивать случайные толчки и искать долгожданный сигнал.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях