С 1980-х годов исследователи проводят эксперименты в поисках частиц, составляющих темную материю, невидимую субстанцию, которая пронизывает нашу галактику и Вселенную. Поскольку темная материя не испускает света, это вещество, составляющее более 80 процентов материи в нашей Вселенной, неоднократно оказывало влияние на обычную материю через ее гравитацию. Ученые знают, что он существует, но не знают, что это такое.
Поэтому исследователи из Калифорнийского технологического института во главе с Кэтрин Зурек, профессором теоретической физики, вернулись к чертежной доске, чтобы подумать о новых идеях. Они изучали возможность того, что темная материя состоит из частиц “скрытого сектора”, которые легче, чем частицы, предложенные ранее, и теоретически могут быть найдены с помощью небольших подземных настольных устройств. Напротив, ученые ищут кандидатов на более тяжелую темную материю, называемых WIMPs (слабо взаимодействующие массивные частицы), используя крупномасштабные эксперименты, такие как ксенон, который установлен под землей в 70 000-галлонном резервуаре с водой в Италии.
"Темная материя всегда течет через нас, даже в этой комнате”, - говорит Зурек, который впервые предложил скрытые частицы сектора более десяти лет назад. “Когда мы движемся вокруг центра Галактики, этот устойчивый ветер темной материи в основном остается незамеченным. Но мы все еще можем воспользоваться этим источником темной материи и разработать новые способы поиска редких взаимодействий между ветром темной материи и детектором.”
В новой статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters, физики описывают, как более легкие частицы темной материи могут быть обнаружены с помощью типа квазичастицы, известного как Магнон. Квазичастица-это эмерджентное явление, возникающее, когда твердое тело ведет себя так, как будто оно содержит слабо взаимодействующие частицы. Магноны-это разновидность квазичастиц, в которых электронные спины, действующие подобно маленьким магнитам, возбуждаются коллективно. По замыслу исследователей, для проведения настольного эксперимента необходимо было использовать магнитный кристаллизующийся материал для поиска признаков возбужденных магнонов, генерируемых темной материей.
“Если частицы темной материи легче Протона, становится очень трудно обнаружить их сигнал обычными средствами”, - говорит автор исследования Чжэнкан (Кевин) Чжан, аспирант Калифорнийского технологического института. - Но, согласно многим хорошо мотивированным моделям, особенно тем, которые включают скрытые сектора, частицы темной материи могут соединяться со спинами электронов, так что, как только они ударяются о Материал, они вызывают спиновые возбуждения, или магноны. Если бы мы уменьшили фоновый шум, охлаждая оборудование и перемещая его под землю, мы могли бы надеяться обнаружить магноны, генерируемые исключительно темной материей, а не обычной материей.”
На данный момент такой эксперимент является только теоретическим, но в конечном итоге может быть проведен с использованием небольших устройств, размещенных под землей, вероятно, в шахте, где внешние воздействия от других частиц, таких как космические лучи, могут быть сведены к минимуму.
Одним из характерных признаков обнаружения темной материи в экспериментах на столешнице были бы изменения сигнала, зависящие от времени суток. Это связано с тем, что магнитные кристаллы, которые будут использоваться для обнаружения темной материи, могут быть анизотропными, что означает, что атомы естественным образом расположены таким образом, что они имеют тенденцию взаимодействовать с темной материей более сильно, когда темная материя приходит с определенных направлений.
"Когда Земля движется через галактическое гало темной материи, она чувствует ветер темной материи, дующий с направления, в котором движется планета. Детектор, установленный в определенном месте на Земле, вращается вместе с планетой, поэтому ветер темной материи ударяет по ней с разных направлений в разное время суток, скажем, иногда сверху, иногда сбоку”, - говорит Чжан. - В течение дня, например, у вас может быть более высокая частота обнаружения, когда темная материя приходит сверху, чем сбоку. Если бы вы увидели это, это было бы довольно впечатляющим и очень сильным признаком того, что вы видите темную материю.”
У исследователей есть и другие идеи о том, как темная материя может проявлять себя, в дополнение к магнонам. Они предположили, что более легкие частицы темной материи могут быть обнаружены с помощью фотонов, а также с помощью другого типа квазичастиц, называемых фононами, которые вызваны колебаниями в кристаллической решетке. Предварительные эксперименты, основанные на фотонах и фононах, ведутся в Калифорнийском университете в Беркли, где команда базировалась до того, как Зурек поступил на факультет Калтеха в 2019 году. Исследователи говорят, что использование этих нескольких стратегий для поиска темной материи имеет решающее значение, потому что они дополняют друг друга и помогают подтвердить результаты друг друга.
” Мы ищем новые способы поиска темной материи, потому что, учитывая, как мало мы знаем о темной материи, стоит рассмотреть все возможности", - говорит Чжан.
Исследование под названием "Обнаружение легкой темной материи с помощью магнонов" финансировалось Министерством энергетики (DOE) и Национальным научным фондом (NSF). Еще один соавтор исследования-Таннер Трикл, аспирант Калифорнийского университета в Беркли.