Учёные тестирует прототип устройства, которое, возможно, позволит уловить волны загадочной тёмной материи.
Тёмная материя представляет собой невидимое вещество неизвестной природы, которое проявляет себя только через гравитационное взаимодействие на масштабах галактик. По оценкам общая масса тёмной материи в пять раз выше массы обычного вещества. Каждую секунду сквозь Землю должны проходить миллиарды частиц тёмной материи, однако мы пока не смогли поймать ни одну из них, что объясняется их чрезвычайно слабым взаимодействием с привычными нам частицами.
Все существующие детекторы построены в надежде засечь редкое столкновение частицы тёмной материи с частицей детектора, которые делают как можно больше. Но такой подход сработает только если тёмные частицы имеют достаточно большую массу, и их энергии хватит, чтобы мы смогли засечь столкновение.
Если же тёмные частицы легки, то проще будет засечь их как волны. Ведь, как мы знаем, согласно квантовой физике все частицы должны проявлять и волновые свойства. Именно эту идею заложили экспериментаторы из Института Кавли по астрофизике частиц и космологии в своё устройство.
Радио для тёмной материи основано на принципе корпускулярно-волнового дуализма. Рассмотрим, например, фотон — частицу света, не имеющую массы, но переносящую электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами. Поток фотонов мы обычно воспринимаем как электромагнитные волны — например, тот же свет, СВЧ-излучение или радиосигнал. Но фотон это и частица — попадая на детектор он всегда вызывает один чёткий щелчок, а не нечто «размазанное» в пространстве или времени.
Разработанный прибор будет вести поиски двух конкретных кандидатов в частицы тёмной материи: скрытых фотонов и аксионов. Скрытые фотоны — это гипотетические аналоги наших фотонов, но имеющие небольшую массу. А аксионы — это также гипотетические частицы, которые могут превращаться в фотоны и обратно в присутствии сильного магнитного поля.
Поиском скрытых фотонов до этого никто никогда не занимался, а вот аксионы уже пытались искать другими методами, но экспериментаторы надеются закрыть неисследованные области его возможных параметров.
Так, как же всё так будет работать радио для тёмной материи? Обычно радио ловит радиоволны при помощи антенны и переводит пойманный сигнал в звук. Слушатель при этом может переключаться с одной радиостанции на другую, меняя параметры специального электромагнитного резонатора в виде электрического контура внутри радио. У этого резонатора есть выделенная частота резонанса, и радио ловит ту частоту радиосигнала, которая равна частоте этого резонанса.
Радио для тёмной материи будет работать в известном смысле аналогично. Его центральным элементом будет электрический контур с перестраиваемой резонансной частотой. Если частота контура совпадёт с частотой волны тёмной материи, то в контуре возникнут сильные колебания тока, и их удастся засечь.
Учёные будут медленно перестраивать частоту своего радио, в поисках той частоты, на которой есть сильный сигнал тёмной материи.
Поскольку даже в резонансе сигнал от тёмной материи ожидается слабым (иначе бы его уже давным давно засекли), то для увеличения чувствительности радио будут использованы специальные магнетометры, известные как сверхпроводящие квантово-интерференционные устройства (сокращённо СКВИДы), которые подключат к низкошумящим усилителям.
В конечном итоге радио будет способно засечь частицы с массой от нескольких пико-эВ до нескольких мэВ (эВ — электрон-вольт, единица в которой принято измерять массу элементарных частиц: например, масса электрона около 0,5 МэВ, а масса протона — около 1 ГэВ). Проблема, однако, заключается в том, что в этот диапазон попадают волны на частотах от килогерца до гигагерца — то есть тот диапазон, который активно используется для беспроводной связи.
Чтобы защититься от паразитных наводок радио придётся спрятать под несколькими метрами меди или за сверхпроводящим щитом.
Одним из преимуществ радио для тёмной материи по сравнению с другими детекторами заключается в том, что его не надо прятать от космических лучей и зарывать на сотни метров под землю. Радио вполне можно разместить в университетской лаборатории.
Сейчас учёные проводят тестирование небольшого прототипа, который способен сканировать лишь относительно небольшой диапазон частот. Планируется, однако, что через некоторое время будет установлено два полноразмерных прибора. Местом их размещения станет Стенфорд.
Ну что ж, будем ждать результатов!
Источник: Symmetry Magazine
Читайте также
Почему мы поверили в тёмную материю?
Поиски тёмной кошки в тёмной комнате
Идёт охота за «тёмными» фотонами
Подписывайтесь также на мой канал в Telegram