Новый эксперимент по исследованию темной материи сузил диапазон поиска аксионов
Космологические наблюдения за орбитами звезд и галактик позволяют сделать однозначные выводы о силах притяжения, действующих между небесными телами. Но видимой материи недостаточно, чтобы объяснить развитие или движение галактик. Это говорит о том, что существует другой, пока неизвестный тип материи.
В 1933 году швейцарский физик и астроном Фриц Цвикки сделал вывод о существовании того, что сейчас известно как темная материя. Темная материя — постулируемая форма материи, которая не видна напрямую, но взаимодействует через гравитацию и включает примерно в пять раз больше массы, чем материя, с которой мы знакомы.
Недавно, после точного эксперимента, проведенного в Центре фундаментальной физики Альберта Эйнштейна (AEC) в Бернском университете, международной исследовательской группе удалось значительно сузить возможности существования темной материи. AEC, насчитывающая более 100 членов, является одной из ведущих международных исследовательских организаций в области физики элементарных частиц.
Тайна вокруг темной материи
«Из чего на самом деле состоит темная материя, до сих пор совершенно неясно», — объясняет Иво Шультесс, ведущий автор исследования.
Однако несомненно то, что она состоит не из тех же частиц, из которых состоят звезды, планета Земля или мы, люди. Во всем мире для поиска возможных частиц темной материи используются все более чувствительные эксперименты и методы, однако до сих пор безуспешно.
Некоторые гипотетические элементарные частицы, известные как аксионы, являются многообещающей категорией возможных кандидатов на роль частиц темной материи.
Важным преимуществом этих чрезвычайно легких частиц является то, что они могут одновременно объяснить другие важные явления в физике элементарных частиц, которые до сих пор не были поняты.
«Благодаря многолетнему опыту нашей команде удалось спроектировать и построить чрезвычайно чувствительный измерительный прибор — эксперимент Beam EDM», — объясняют ученые. Если неуловимые аксионы действительно существуют, они должны оставить после себя характерную сигнатуру в измерительном приборе.
«Наш эксперимент позволяет нам определить частоту вращения спинов нейтронов, которые движутся через суперпозицию электрического и магнитного полей. Вращение каждого отдельного нейтрона действует как стрелка компаса, которая вращается под действием магнитного поля подобно секундной стрелке наручных часов, но почти в 400 000 раз быстрее».
«Мы точно измерили эту частоту вращения и проверили ее на наличие мельчайших периодических колебаний, которые могут быть вызваны взаимодействием с аксионами». Результаты эксперимента были ясны: «Частота вращения нейтронов осталась неизменной, а это означает, что в наших измерениях нет признаков аксионов», — говорят ученые.
Область параметров успешно сужена
Измерения позволили экспериментально исключить ранее совершенно неисследованное пространство параметров аксионов.
Также оказалось возможным искать гипотетические аксионы, которые были бы более чем в 1000 раз тяжелее, чем это было возможно ранее в других экспериментах.
«Хотя существование этих частиц остается загадочным, мы успешно исключили важный параметр пространства темной материи», — заключают физики. Будущие эксперименты теперь могут основываться на этой работе.
Ответ на вопрос о темной материи дал бы существенное представление об основах природы и сделал бы нас на большой шаг ближе к полному пониманию Вселенной.
Выводы группы опубликованы в журнале Physical Review Letters.