Физики провели поиск компактных объектов темной материи

Современная теория предполагает, что Вселенная в значительной степени состоит из загадочной материи, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет и, следовательно, не может наблюдаться с использованием обычных методов обнаружения. Этот тип вещества, называемый темной материей, до сих пор никогда не наблюдался и не обнаруживался экспериментально.

До сих пор обнаружение темной материи оказывалось невероятно сложной задачей, но было бы гораздо проще, если бы этот тип материи был сконцентрирован в макроскопических объектах.

Фактически, некоторые физики предположили, что темная материя или, по крайней мере, ее ключевой компонент, могут состоять из компактных темных объектов (CDO, compact dark objects), которые, как предполагается, демонстрируют небольшие негравитационные взаимодействия с нормальной материей.

Физики из Университета Индианы и Обсерватории Шварцвальда (BFO) в Германии, недавно провели исследование по использование гравиметров для поиска компактных объектов темной материи (CDO) внутри Земли. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, подчеркивает потенциал использования сверхпроводящих гравиметров в продолжающемся поиске темной материи.

«Большая часть вселенной состоит из неизвестной темной материи. В нашей предыдущей работе мы искали скопления темной материи, которые мы называем компактными темными объектами, CDO, в нейтронных звездах или на Солнце. Поскольку темная материя может очень слабо взаимодействовать с нормальной материей, она может перемещаться внутри нормальных тел способом, которым обычная материя не может» — говорят ученые.

Теория астрофизики предполагает, что темная материя имеет гравитационные взаимодействия с нормальной материей. Таким образом, поиск CDO с использованием инструментов, которые могут обнаружить различия в силах гравитации между одним местоположением и другим, кажется многообещающим вариантом.

Имея это в виду, ученые намеревались исследовать потенциал поиска CDO с использованием гравиметров, высокочувствительных устройств, которые могут измерять ускорение, возникающее в результате гравитации, с большой точностью.

На Земле ускорение силы тяжести составляет приблизительно g (t) = 9,8 м/с², в то время как гравиметр может измерять изменения этого числа с точностью до одной части на триллион.

«Гравитация от CDO немного изменит значение g, когда CDO перемещается ближе или дальше от гравиметра», — говорят исследователи. «Мы ищем зависимость времени от g (t), которая меняется с 55-минутным периодом орбиты CDO внутри Земли».

Ученые рассчитали, что CDO, движущийся во внутреннем ядре Земли, будет иметь орбитальный период почти 55 минут и будет производить зависящий от времени сигнал в гравиметре. Однако данные, которые они собрали с использованием сверхпроводящих гравиметров, исключают присутствие таких объектов внутри ядра Земли, если только эти объекты не имеют чрезвычайно малую массу или малый радиус орбиты.

В будущем ученые хотели бы повторить свое исследование, используя гравиметры с более высокой чувствительностью или сосредоточившись на других небесных телах. Их работа может также вдохновить физиков по всему миру на проведение подобных экспериментов с использованием гравиметров.

«Мы показали, как использовать чувствительность гравиметров для исследования одной из возможных форм темной материи. Мы продемонстрировали, что никакие такие объекты не движутся внутри Земли, если только их масса и / или радиус орбиты не очень малы. В нашей будущей работе мы планируем попытаться улучшить чувствительность нашего поиска и, возможно, искать CDO в других телах Солнечной системы».

C. J. Horowitz et al. Gravimeter Search for Compact Dark Matter Objects Moving in the Earth, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.051102