Темная материя составляет 85% всей материи Вселенной, но она совершенно невидима для нас. И все же мы можем измерить его воздействие на самые разные небесные объекты: он бродит вокруг каждой галактики и не дает звездам улетать со своих орбит, он меняет направления световых лучей от далеких галактик, он направляет формирование больших структуры Вселенной, и он даже оставил отпечатки на космическом микроволновом фоне , самой дальней и самой старой фотографии Вселенной, сделанной, когда ей было всего несколько сотен тысяч лет.
LIGO , Virgo и KAGRA были разработаны для поиска гравитационных волн от слияния черных дыр и нейтронных звезд, асимметрично вращающихся пульсаров , взрывающихся звезд и комбинаций всех этих источников. Но эти детекторы настолько чувствительны, что могут также наблюдать темную материю, которая непосредственно с ними взаимодействует. Здесь мы ищем особый тип темной материи, темные фотоны, масса которых может быть на двадцать порядков меньше массы электрона. На Земле эти частицы будут двигаться со скоростью около 300 км/с, и их будет так много, O(10 50), что они будут взаимодействовать с протонами и нейтронами или просто нейтронами в зеркалах детектора и вызывать зависящую от времени колебательную силу на зеркалах. Зеркала находятся в разных местах по отношению к входящим темным фотонам и разделены тремя или четырьмя километрами; таким образом, каждое зеркало будет двигаться немного по-разному и отпечатывать сигнал.
Сигнал будет примерно на одной частоте, потому что масса каждой частицы темного фотона фиксирована. Темная материя также всегда проходит через детекторы, а это означает, что темные фотоны постоянно взаимодействуют с частицами в зеркалах. Следовательно, сигнал непрерывный, всегда включен и имеет почти фиксированный тон. На практике частота сигнала случайным образом с течением времени смещается на очень небольшую величину, потому что каждый темный фотон движется с разной скоростью, когда взаимодействует с детектором.
В нашей работе используются данные третьего цикла наблюдений Advanced LIGO и Advanced Virgo, чтобы определить, могут ли и с какой силой темные фотоны соединяться с интерферометрами. Хотя мы не обнаружили сигнала, мы можем установить верхние пределы этой связи в зависимости от возможной массы темного фотона. В этом анализе было измерено, что связь темных фотонов с интерферометрическими детекторами гравитационных волн составляет не более одной части из 10 40 электромагнитной связи для всех рассмотренных нами сверхлегких масс, даже такой малой, как одна часть из 10 47 .на некоторые массы! Наши ограничения примерно в 10–100 раз лучше, чем те, которые были получены в некоторых экспериментах, специально предназначенных для поиска темной материи. Наши измерения связи темных фотонов с LIGO и Virgo дают нам представление о том, как темная материя влияет на существующую Вселенную и как она могла сформироваться.
ГЛОССАРИЙ
- LIGO : Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) представляет собой пару детекторов гравитационных волн в США. Один расположен недалеко от Ливингстона, штат Луизиана, а другой — недалеко от Хэнфорда, штат Вашингтон. Оба детектора представляют собой крупномасштабные лазерные интерферометры с двумя перпендикулярными плечами длиной 4 км, которые пытаются измерить любые изменения относительной длины плеч, вызванные проходящей гравитационной волной.
- Дева : детектор гравитационных волн, расположенный недалеко от Пизы, Италия. Это тоже лазерный интерферометр, но с плечами длиной 3 км.
- KAGRA : Подземный детектор гравитационных волн, расположенный недалеко от Тоямы, Япония. Это тоже лазерный интерферометр, но с плечами длиной 3 км и криогенно охлаждаемыми зеркалами.
- Чувствительность : описание способности детектора обнаруживать сигнал. Детекторы с более низким уровнем шума способны обнаруживать более слабые сигналы, и поэтому говорят, что они обладают более высокой (или большей) чувствительностью.
- Прогон наблюдений : период, в течение которого детекторы гравитационных волн собирают данные.
- Верхний предел: утверждение о максимальном значении, которое может иметь некоторая величина, при этом согласуясь с данными. Здесь мы используем эту концепцию, чтобы наложить ограничения на силу связи темных фотонов на разных частотах. Мы используем 95-процентный предел достоверности, т. е. при наличии данных существует 95-процентная вероятность того, что количество ниже этого предела.
- Сцепление : когда одна частица взаимодействует с другими определенным образом.
- Электромагнитная связь : сила взаимодействия между заряженными частицами.
- Пульсары : вращающиеся мертвые звезды, состоящие в основном из нейтронов; это отличные часы, потому что они быстро вращаются и излучают свет через равные промежутки времени, как маяк.