Ученые используют передовые квантовые технологии для создания высокочувствительных детекторов темной материи, стремясь непосредственно наблюдать и идентифицировать темную материю, которая составляет 80% вещества Вселенной.
Одна из величайших загадок науки может стать на шаг ближе к разгадке.
Примерно 80% материи во Вселенной темная, а это значит, что ее нельзя увидеть. На самом деле, темная материя проходит через нас постоянно – возможно, со скоростью триллионов частиц в секунду.
Мы знаем, что она существует, потому что можем видеть влияние ее гравитации, но эксперименты, проводимые до настоящего времени, пока не смогли ее обнаружить.
Передовые квантовые технологии в действии
Используя преимущества самых передовых квантовых технологий, ученые из Ланкастерского университета, Оксфордского университета и Лондонского университета Роял Холлоуэй создают самые чувствительные детекторы темной материи на сегодняшний день.
Их публичная выставка под названием “Квантовый взгляд на невидимую Вселенную” была представлена на флагманской летней научной выставке Королевского общества в этом году.
Среди исследователей доктор Майкл Томпсон, профессор Эдвард Лэрд, доктор Дмитрий Змеев и доктор Самули Отти из Ланкастера, профессор Джослин Монро из Оксфорда и профессор Эндрю Кейси из RHUL.
Сотрудник EPSRC доктор Аутти сказал: “Мы используем квантовые технологии при сверхнизких температурах для создания самых чувствительных детекторов на сегодняшний день. Цель состоит в том, чтобы наблюдать эту загадочную материю непосредственно в лаборатории и разгадать одну из величайших загадок науки.”
Теоретические перспективы и экспериментальные подходы
Существуют косвенные данные наблюдений о типичной плотности темной материи в галактике, но масса составляющих ее частиц и их возможные взаимодействия с обычными атомами неизвестны.
Теория физики элементарных частиц предполагает двух вероятных кандидатов в темную материю: новые частицы с настолько слабыми взаимодействиями, что мы их еще не наблюдали, и очень легкие волнообразные частицы, называемые аксионами. Команда проводит два эксперимента, по одному для поиска каждого.
Из двух кандидатов новые частицы со сверхслабыми взаимодействиями могут быть обнаружены в результате их столкновений с обычной материей. Однако, могут ли эти столкновения быть идентифицированы в эксперименте, зависит от массы искомой темной материи. Большинство поисков на данный момент смогли бы обнаружить частицы темной материи весом от пяти до 1000 раз больше, чем атом водорода, но возможно, что были пропущены гораздо более легкие кандидаты в темную материю.
Команда Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) стремится достичь лучшей в мире чувствительности к столкновениям с кандидатами в темную материю массой от 0,01 до нескольких атомов водорода. Для достижения этой цели детектор изготовлен из сверхтекучего гелия-3, охлажден до макроскопического квантового состояния и оснащен сверхпроводящими квантовыми усилителями. Сочетание этих двух квантовых технологий создает чувствительность для измерения чрезвычайно слабых признаков столкновений с темной материей.
Использование квантовой механики для обнаружения темной материи
Напротив, если темная материя состоит из аксионов, они будут чрезвычайно легкими – более чем в миллиард раз легче атома водорода – но, соответственно, более распространенными. Ученые не смогут обнаружить столкновения с аксионами, но вместо этого они могут искать другую сигнатуру – электрический сигнал, возникающий при распаде аксионов в магнитном поле. Этот эффект можно измерить только с помощью чрезвычайно чувствительного усилителя, который работает с высочайшей точностью, допускаемой квантовой механикой. Поэтому команда Quantum Sensors для Скрытого сектора (QSHS) разрабатывает квантовый усилитель нового класса, который идеально подходит для поиска аксионного сигнала.
Стенд на выставке этого года позволит посетителям наблюдать за невидимым с помощью творческих практических экспонатов для всех возрастов.
Демонстрируя, как мы выводим о темной материи из наблюдений за галактиками, мы представим гироскоп в коробке, который движется удивительным образом благодаря невидимому угловому моменту. Также будут представлены стеклянные шарики, прозрачные в жидкости, показывающие, как можно наблюдать невидимые массы с помощью умных экспериментов.
Холодильник для разбавления света продемонстрирует, как команда достигает сверхнизких температур, а модельный детектор столкновений частиц темной материи покажет, как вела бы себя наша Вселенная, если бы темная материя вела себя как обычная материя.
Затем посетители могут искать темную материю с помощью модельного детектора axion, сканируя частоту радиоприемника, а также создать свой собственный параметрический усилитель с использованием маятника.
Космолог Карлос Френк, член Королевского общества и председатель Комитета по взаимодействию с общественностью, сказал: “Наука жизненно важна для того, чтобы помочь нам понять мир, в котором мы живем, – прошлое, настоящее и будущее. Я призываю посетителей всех возрастов прийти с открытым умом, любопытством и энтузиазмом и отметить невероятные научные достижения, которые приносят пользу всем нам ”.