Тёмная материя — невидимая субстанция, составляющая примерно 85 % всей материи во Вселенной, остаётся одной из величайших загадок современной физики. Она не излучает свет, не отражает его и не взаимодействует с обычной материей так, как мы привыкли наблюдать — но её гравитационное влияние сказывается повсюду: от движения галактик до крупномасштабной структуры космоса. Несмотря на десятилетия поиска, учёные всё ещё не нашли прямого подтверждения её природы. Одной из наиболее правдоподобных гипотез является существование аксинов — необычных ультралёгких частиц, которые могут образовывать основу тёмной материи.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, описывает новый эксперимент, использующий сеть квантовых сенсоров, распределённых в городах, чтобы поставить строгие ограничения на свойства аксионов — и это может стать важным шагом на пути к раскрытию тайны тёмной материи.
Что такое тёмная материя и почему она важна
Тёмная материя — это загадочное вещество, которое не взаимодействует со светом, но проявляет своё присутствие через гравитацию. Она нужна, чтобы объяснить, почему:
- галактики вращаются быстрее, чем позволяют их видимые массы;
- галактики в кластерах не разлетаются под действием своей кинетической энергии;
- крупномасштабная структура Вселенной имеет те филы и узлы, которые мы наблюдаем.
Учёные точно не знают, из чего состоит тёмная материя: это может быть набор частиц, которые мы ещё не обнаружили, или совершенно иная физика. Один из кандидатов — частица аксион, предсказанная в теории физики элементарных частиц. Аксионы — чрезвычайно лёгкие частицы, которые могут образовывать стабильные поля по всему космосу и выполнять роль тёмной материи. Их малые массы делают их особенно трудными для обнаружения стандартными методами.
Новые методы: квантовые сенсоры следят за «космическими шорохами»
Чтобы попытаться обнаружить аксионы, группа учёных придумала необычную стратегию: вместо попыток поймать их напрямую в частицах, они измеряют крошечные эффекты, которые аксионы могли бы вызвать в квантовых системах. Ключом стала идея, что аксионы или другие формы тёмной материи могут взаимодействовать с ядрами атомов, заставляя их вращаться или слегка изменять своё поведение.
Речь идёт о поляризованных спинах благородных газов — научном способе создать квантовые системы, крайне чувствительные к мельчайшим воздействиям. Если на них воздействует необычное поле (например, поле аксионов), их спины должны повернуться или колебаться на очень малый угол — гораздо меньше градуса, но измеримый при помощи современных технологий.
Сеть сенсоров — города становятся лабораториями
Новое исследование объединило пять таких квантовых лабораторий, расположенных в двух разных городах, чтобы создать сеть синхронных датчиков. Почему это важно?
- Синхронизация увеличивает надёжность сигнала. Если одиночный датчик фиксирует изменение, это может быть вызвано шумом, микровибрациями или даже техническими помехами.
- Но если несколько сенсоров одновременно фиксируют совпадающие аномалии, вероятность того, что это «шум», значительно снижается.
- Наконец, такие сети позволяют искать краевые эффекты, которые не видны локально, но проявляются при корреляции данных между датчиками.
Этот подход превращает города — их лаборатории и научные центры — в распределённую сеть, которая действует как сверхчувствительная «космическая антенна».
Где расположена сеть квантовых сенсоров
Одной из самых интересных особенностей этого эксперимента стало то, что он не проводится в специальных лабораториях глубоко под землёй или в одном месте — он распределён сразу между несколькими городами, превращая целую территорию в «сетевую лабораторию» для фундаментальной физики.
Впервые в мире учёные создали распределённую сеть квантовых датчиков, специально предназначенную для исследования тёмной материи, объединив установки, находящиеся на расстоянии более 300 километров друг от друга. Эта сеть связывает лаборатории в двух крупных китайских городах — Хэфэе и Ханчжоу.
Хэфэй — город в восточной части Китая, где расположен Китайский университет науки и технологий (University of Science and Technology of China), ведущая одна из основных групп, участвующих в разработке и синхронизации квантовых сенсоров для этой сети.
Ханчжоу — крупный научно-исследовательский и инновационный центр, где размещены дополнительные лаборатории и синхронизированные квантовые датчики, работающие в тандеме с установками из Хэфэя.
Такое распределение позволяет фильтровать локальные помехи и шумы: сигналы от аксионов (если они существуют) должны быть синхронными на всех сенсорах сети — только в этом случае учёные считают их потенциально истинными. Локальные шумы, возникающие, например, из-за технических или природных факторов в одном городе, будут автоматически устранены как нерелевантные.
Учёные планируют в будущем расширить сеть не только по всей территории Китая, но и за её пределами, а также интегрировать такие датчики в международные научные проекты — вплоть до спутниковых сетей — чтобы получить ещё большую чувствительность и покрытие.
Как работает метод и что он измеряет
Эксперимент сосредоточился на перемещении или вращении поляризованных ядер благородных газов, которые служат как квантовые сенсоры. Подобные системы создают гиперполяризованные спины, чрезвычайно чувствительные к воздействиям извне.
Идея в том, что аксионы, проходя через Землю или взаимодействуя с ядрами, могли бы вызвать:
- транзитные вращения спинов;
- крошечные, но синхронизированные изменения фазы;
- изменения, которые невозможно объяснить обычными шумами или стандартной физикой.
Использование усиления и оптимальной фильтрации шума позволяло системе повысить чувствительность до величин порядка 10⁻⁶ радиан — экстремально малых изменений, но всё ещё измеримых. Это сравнимо с поворотом спина на миллионную часть радиана.
Что удалось установить?
Несмотря на то что прямого обнаружения аксионов в эксперименте не произошло, учёные смогли установить новые ограничения на взаимодействие аксионов с нуклонами (ядрами атомов) — точные параметры, с которыми аксионы могли бы взаимодействовать с материей, если они действительно существуют.
Эксперимент установил, что в диапазоне масс аксионов от 10 пикоэлектронвольт до 0,2 микроэлектронвольт значение так называемой axion–nucleon coupling (связи между аксионом и ядром) должно быть не более примерно 4,1 × 10¹⁰ ГэВ при 84 пикоэлектронвольт. Это означает, что если аксионы существуют в этой области масс, их взаимодействие с обычной материей должно быть слабее, чем эта граница.
Эти ограничения строже, чем многие астрономические наблюдения, основанные на косвенных эффектах (например, на охлаждении звёзд), но получены в принципиально другом экспериментальном контексте. Это значит, что теперь учёные имеют более точные пределы, в которых можно или нельзя искать аксионы.
Почему это исследование важно
1. Новый способ поиска тёмной материи
Обычные эксперименты по поиску тёмной материи в основном сосредоточены вокруг:
- детекторов частиц в глубоких шахтах;
- гигантских коллайдеров;
- радиоастрономических наблюдений.
Но квантовые сенсоры открывают совершенно новый подход, основанный на высокоточной квантовой физике и сетевом объединении установок. Это показывает, что комбинация квантовых технологий и распределённых сетей может стать мощным инструментом для фундаментальной физики.
2. Комплементарность методов
Ограничения, установленные этим экспериментом, не заменяют, а дополняют те, что получены из астрофизики (например, из наблюдений за поведением звёзд или сверхновых). Те методы и результаты работают в разных частях параметрического пространства возможных свойств тёмной материи. Такой мультипарадигменный подход усиливает нашу уверенность в том, что мы не пропустили ключевые сигналы.
3. Потенциал для открытия новых форм материи
Если аксионы действительно существуют и составляют тёмную материю, это изменит фундаментальные представления о Вселенной. Это будет не просто дополнительной частицей в таблице элементарных частиц — это может быть ключ к пониманию структуры космоса, эволюции галактик и природы гравитации.
Методы, разработанные в этом эксперименте, также пригодятся для поиска и других экзотических форм материи и полей, таких как:
- аксионные звёзды;
- топологические дефекты тёмной материи;
- квантовые флуктуации, порождённые в ранней Вселенной.
Сеть квантовых сенсоров — будущее фундаментальных измерений
Идея объединять датчики не просто в рамках одного эксперимента, а в распределённую сеть, востребована не только для поиска тёмной материи. Такой принцип может быть использован в:
- глобальных сетях для отслеживания гравитационных аномалий;
- прецизионной навигации;
- экспериментах по проверке фундаментальных симметрий физики;
- поисках других редких эффектов за пределами Стандартной модели.
Именно это сочетание глубоких теоретических идей и самых тонких квантовых измерительных технологий делает такие эксперименты особенно перспективными для новой физики.
Взгляд за горизонт: что дальше?
Исследователи планируют развивать этот подход дальше:
- увеличивать число датчиков и территорию их размещения;
- улучшать методы фильтрации и выделения сигнала из шума;
- развивать модели взаимодействия аксионов и других гипотетических полей;
- расширять диапазон масс и видов взаимодействий, которые можно исследовать.
Чем больше данных и чем больше параметрическое пространство будет охвачено, тем выше шанс, что мы либо обнаружим сигнатуру тёмной материи, либо существенно сузим круг возможных моделей», приближая нас к разгадке тайны этой невидимой субстанции.
Заключение: города и фундаментальная физика
Исследование, проведённое с помощью квантовых сенсоров, распределённых по городам, — это впечатляющий пример того, как повседневные лаборатории могут помочь решить одну из самых фундаментальных загадок Вселенной. Оно показывает, что ответы на вопросы о тёмной материи, происхождении и структуре вселенных могут быть найдены не только в глубоком космосе или в гигантских ускорителях, но и здесь — на Земле, с помощью новейших квантовых технологий и взаимосвязанных сетей измерений.
Это исследование не дало прямого открытия тёмной материи, но задаёт новые строгие рамки, в которых эта загадочная субстанция могла бы существовать, и открывает путь к новым экспериментальным возможностям, которые ещё сильнее приблизят нас к пониманию фундаментальной природы Вселенной.