Физики предложили революционный план поиска тёмной материи

Ключом к тайне тёмной материи могут стать обычные колебания маятника.

Ключом к тайне тёмной материи могут стать обычные колебания маятника.
Иллюстрация Pixabay

Учёные из США предложили принципиально новый способ поиска неуловимой тёмной материи. Он использует только гравитацию – единственное взаимодействие, обнаруженное между тёмной и обычной материей. Чем бы ни была эта загадочная субстанция, её частицы будут обнаружены, если только они имеют подходящую массу.

Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review D.

Найди то, не знаю что

Вести.Ru подробно рассказывали о тёмной материи. Напомним, что её в несколько раз больше, чем обычного вещества. Гравитация тёмной материи влияет на движение звёзд и галактик, искривляет лучи света от далёких космических объектов и так далее.

Большинство экспертов полагает, что эта субстанция по большей части состоит из частиц, ещё не открытых физиками-экспериментаторами. Но из каких именно?

Вариантов масса. Задолго до того как астрономы-наблюдатели открыли тёмную материю, у физиков-теоретиков накопилась целая кунсткамера гипотетических частиц. Эти частицы могут или даже должны существовать согласно теоретическим выкладкам, но пока не обнаружены в экспериментах.

Для проверки самых заманчивых вариантов строятся большие (и не очень) детекторы. Их работа определяется тем, в какие реакции с обычным веществом должны вступать те или иные придуманные теоретиками частицы. Однако пока эти установки не зафиксировали ни аксионов, ни вимпов, ни других гипотетических частиц-кандидатов. И хотя проверены ещё далеко не все предложенные теоретиками варианты, не исключено, что среди них просто нет правильного.

Притяжение тайны

В связи с этим физики из Национального института стандартов и технологий США и Национальной ускорительной лаборатории Ферми США предложили радикальное решение. Учёные не стали делать предположений о том, из каких именно частиц состоит тёмная материя и в какие реакции они должны вступать с атомными ядрами или электронами. Вместо этого исследователи собираются искать неуловимую субстанцию тем же способом, благодаря которому её обнаружили астрономы: по гравитационному воздействию на обычное вещество.

"Наше предложение основывается исключительно на гравитационном взаимодействии, единственном взаимодействии между тёмной и обычной видимой материей, о существовании которого мы знаем наверняка", – отмечает первый автор исследования Дэниел Карни (Daniel Carney).

Физики предложили две схемы эксперимента. В первой из них используется массив миниатюрных маятников. Поясним, что гравитация частиц тёмной материи должна немного отклонять их. Авторы предлагают разместить в кубическом метре установки около миллиарда таких "сенсоров". Для индустрии, серийно выпускающей процессоры с десятками миллиардов транзисторов, это не такая уж невыполнимая задача.

В другом варианте применяется множество небольших грузов, которые удерживаются в воздухе (точнее, в вакууме) с помощью магнитного поля или лазерных лучей. Затем "поддержка" выключается, и грузы, что естественно, падают. Однако тяготение частиц тёмной материи должно чуть-чуть искажать их траектории.

Отметим, что другая научная группа, в которую также входит Карни, уже провела пробные опыты по второй схеме.

Конечно, крошечные "сенсоры", будь то маятники или падающие грузы, будут подвержены воздействию случайных помех. Но их можно минимизировать, охладив систему почти до абсолютного нуля и защитив от внешних воздействий (хотя совсем от них избавиться не получится). После этого, анализируя показания множества датчиков, можно будет отсеять хаотические шумы и выделить закономерный полезный сигнал. У человечества большой опыт в подобном отделении зёрен от плевел.

Открытия будут весомыми?

Однако гравитация отдельной микроскопической частицы очень мала. По силам ли приборам будет её обнаружить?

Согласно расчётам авторов, да, но лишь если частицы тёмной материи имеют чудовищную по меркам элементарных частиц массу: от пятитысячной доли миллиграмма (уже это значение в миллиард миллиардов раз больше массы протона) до нескольких миллиграммов.

Гипотеза о существовании подобных частиц выглядит смело. Но мы и должны ожидать от тёмной материи чего-то экзотического, раз уж её до сих пор не обнаружили. Кроме того, в этот диапазон попадает планковская масса, которая фигурирует во многих теориях (например, считается, что это минимально возможная масса чёрной дыры).

Наконец, масса частиц – это единственный параметр тёмной материи, который имеет значение для данного эксперимента. Если предлагаемый авторами детектор будет построен и ничего не обнаружит, то любые теории о существовании частиц тёмной материи с такой массой (какими бы другими свойствами они ни обладали) можно будет сразу же отбрасывать.

"Если кто-то проведёт эксперимент, который мы предлагаем, он либо обнаружит тёмную материю, либо исключит всех кандидатов в тёмную материю в широком диапазоне возможных масс", – заключает Карни.

Добавим, что ранее Вести.Ru рассказывали о проекте установки для поиска легчайших частиц тёмной материи. Писали мы и о том, что их можно искать с помощью детекторов гравитационных волн.