Спустя почти столетие после того, как темная материя была впервые предложена для объяснения движения скоплений галактик, физики до сих пор понятия не имеют, из чего она состоит.
Исследователи всего мира построили десятки детекторов в надежде обнаружить темную материю.
Теперь поиск темной материи получил небольшую помощь от технологии, используемой в исследованиях квантовых вычислений.
Сканирование сигнала темной материи
Астрофизика и космология убедительно доказывают, что неизвестная субстанция, называемая темной материей, составляет более 80 процентов материи во вселенной. Физики-теоретики предложили десятки новых фундаментальных частиц , которые могли бы объяснить темную материю. Но чтобы определить, какая из этих теорий верна, исследователям необходимо построить различные детекторы для проверки каждой из них.
Одна известная теория предполагает, что темная материя состоит из пока еще гипотетических частиц , называемых аксионами , которые в совокупности ведут себя как невидимая волна, колеблющаяся в космосе с очень определенной частотой. Аксионные детекторы , работают примерно как радиоприемники, но вместо преобразования радиоволн в звуковые волны они стремятся преобразовать аксионные волны в электромагнитные. В частности, аксионные детекторы измеряют две величины, называемые квадратурами электромагнитного поля . Эти квадратуры представляют собой два различных вида колебаний в электромагнитной волне, которые были бы произведены, если бы аксионы существовали.
Главная трудность в поиске аксионов заключается в том, что никто не знает частоты гипотетической аксионной волны. Представьте, что вы находитесь в незнакомом городе в поисках определенной радиостанции, проходя через FM-диапазон по одной частоте за раз. Охотники за аксионами делают почти то же самое: они настраивают свои детекторы в широком диапазоне частот дискретными шагами. Каждый шаг может охватывать лишь очень малый диапазон возможных частот аксионов. Этот небольшой диапазон является полосой пропускания детектора.
Настройка радио обычно включает в себя паузу на несколько секунд на каждом шаге, чтобы увидеть, нашли ли вы станцию, которую ищете. Это еще сложнее, если сигнал слабый и много статики. Сигнал Аксиона — даже в самых чувствительных детекторах — был бы чрезвычайно слабым по сравнению со статикой от случайных электромагнитных колебаний, которые физики называют шумом. Чем больше шума, тем дольше детектор должен находиться на каждом шаге настройки, чтобы услышать сигнал Аксиона.
К сожалению, исследователи не могут рассчитывать на получение трансляции axion после нескольких десятков поворотов радиоприемника. FM-радио настраивается от 88 до 108 мегагерц (1 мегагерц равен 1 миллиону герц). Частота аксионов, напротив, может быть где-то между 300 герцами и 300 миллиардами герц. При той скорости , с которой идут сегодняшние детекторы , на поиск Аксиона или на доказательство его отсутствия может уйти более 10 000 лет .