Предлагаемый детектор темной материи наблюдает за колебаниями миллиарда крошечных маятников

Несмотря на то, что ученые охотились за темной материей в течение десятилетий, до сих пор не удалось обнаружить никаких явных признаков ее существования. Но новая конструкция детектора, использующая миллиарды крошечных маятников, может наконец нарушить статус кво, исследуя эффекты невероятно сильного гравитационного притяжения темной материи.

Масса и гравитация неразрывно связаны. Чем больше у объекта масса, тем сильнее его гравитационное притяжение. Именно так мы узнаем, что темная материя существует в первую очередь — десятилетия астрономических наблюдений показывают, что видимой массы недостаточно для объяснения наблюдаемых нами гравитационных эффектов.

Какая-то другая невидимая субстанция должна превосходить по численности обычную материю в соотношении пять к одному.

Так как темная материя не излучает, не отражает и не взаимодействует с обычной каким-либо образом, неудивительно, что ей до сих пор удавалось ускользнуть от прямого обнаружения, но это не из-за недостатка попыток.

Один из основных методов поиска включает в себя огромный резервуар, заполненный детекторной жидкостью, такой как ксенон, сверхтекучий гелий или переохлажденная вода, и ожидание реакции, которая может означать, что частица темной материи столкнулась с атомом в резервуаре.

Другие эксперименты сосредоточены на обнаружении возмущений электричества и магнетизма, которые, как предполагается, являются побочными эффектами гипотетических частиц темной материи, называемых аксионами. Проблема в том, что эти системы полагаются на предположения о других свойствах частиц темной материи. Вместо этого новая конструкция детектора фокусируется на одном том, что мы знаем о темной материи — ее сильном гравитационном влиянии.

В новом предлагаемом эксперименте миллиард крошечных маятников будет подвешен в кубическом пространстве со стороной около 10 метров, а их движение будет отслеживаться лазерами. Принцип звучит просто: если частица темной материи пролетает сквозь инструмент, ее масса должна ненадолго притягивать к себе ближайшие маятники.

Окружающий «шум» заставит маятники постоянно раскачиваться, но сигнал темной материи будет выделяться. Поскольку одна из этих частиц могла бы беспрепятственно пройти сквозь нее, вы бы увидели ряд маятников, внезапно расшатанных один за другим. Изучение того, сколько силы проходящая частица прикладывает к каждому маятнику, также может раскрыть подробности о темной материи, включая скорость и направление частицы.

Ученые говорят, что этот метод многообещающий, потому что он не полагается на темную материю, обладающую другими свойствами, а только на гравитационное влияние, которое о ней уже известно.

Единственным неизвестным фактором будет масса, и этот прибор будет чувствителен к частицам с широким диапазоном масс, от примерно одной 5000-й миллиграмма до нескольких миллиграммов. Это намного тяжелее обычного диапазона, на который охотятся в экспериментах.

«Наше предложение основывается исключительно на гравитационной связи, единственной связи, которая, как мы знаем наверняка, существует между темной материей и обычной материей», — говорит Дэниел Карни, соавтор исследования. «Если кто-то проведет эксперимент, который мы предлагаем, он либо обнаружит темную материю, либо исключит всех кандидатов в темную материю в широком диапазоне возможных масс».

Пока кто-то не реализует эксперимент, идея остается чисто концептуальной, но, тем не менее, очень интригующей.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review D. Ученые описывают концепцию в видео ниже.