Перетворення невидимої темної матерії у видиме світло

Дослідження темної матерії просуваються за допомогою нових експериментальних методів, призначених для виявлення осей, а також використання передових технологій і міждисциплінарної співпраці для розкриття секретів цього невловимого компонента Всесвіту.

Привид переслідує наш світ. Це було відомо в астрономії та космології протягом десятиліть. Примітки Я пропоную це близько 85% Уся матерія у Всесвіті таємнича і невидима. Ці дві якості відображені в її назві: темна матерія.

Кілька експериментів Вони прагнуть розкрити їхні інгредієнти, але, незважаючи на десятиліття досліджень, вчені досягли успіху. зараз Наш новий досвідбудується в Єльський університет У Сполучених Штатах він пропонує нову тактику.

Темна матерія була навколо Всесвіту з початку часів. Зберіть зірки та галактики разом. Невидимий і тонкий, він, здається, не взаємодіє зі світлом чи будь-яким іншим типом матерії. Насправді це має бути щось абсолютно нове.

Стандартна модель фізики елементарних частинок є неповною, і це проблема. Треба шукати нове Фундаментальні частинки. Дивно, але ті самі недоліки стандартної моделі дають дорогоцінні підказки про те, де вони можуть ховатися.

Проблема з нейтроном

Візьмемо, наприклад, нейтрон. Він утворює атомне ядро ​​з протоном. Хоча загалом нейтральна, теорія стверджує, що вона складається з трьох заряджених частинок, які називаються кварками. З цієї причини ми очікуємо, що деякі частини нейтрона будуть заряджені позитивно, а інші негативно, тобто він мав те, що фізики називають електричним дипольним моментом.

дотепер Багато спроб Його вимірювання привело до того ж висновку: він занадто малий, щоб його виявити. Ще один привид. Ми не говоримо про недоліки в інструментах, а про коефіцієнт, який має бути меншим, ніж одна частина на десять мільярдів. Він настільки малий, що люди задаються питанням, чи може він бути повністю нульовим.

Але у фізиці математичний нуль завжди є сильним твердженням. Наприкінці 1970-х років фізики елементарних частинок Роберто Піччі та Хелен Койн (а пізніше Френк Вільчек та Стівен Вайнберг) намагалися відкрити Розуміння теорії та доказів.

Вони припустили, що параметр, ймовірно, не дорівнює нулю. Швидше, це динамічна величина, яка повільно втрачає свій заряд, а потім еволюціонує до нуля великий вибух. Теоретичні розрахунки показують, що якщо така подія сталася, вона мала залишити після себе велику кількість ілюзорних легких частинок.

Їх називають «аксіонами» на честь марки миючого засобу, оскільки вони можуть «вирішувати» проблему нейтронів. І навіть більше. Якщо аксіони були створені на початку Всесвіту, вони існують з тих пір. Найважливіше те, що його властивості визначають усі очікувані елементи темної матерії. З цих причин хаби стали однією з Бажані частинки-кандидати Для темної матерії.

Аксіони будуть слабко взаємодіяти з іншими частинками. Однак це означає, що вони все одно будуть досить сильно взаємодіяти. Невидимі осі можуть перетворюватися на звичайні частинки, включаючи, за іронією долі, фотони, суть світла. Це може статися за певних умов, наприклад, за наявності магнітного поля. Це знахідка для фізиків-експериментаторів.

Експериментальний дизайн

Багато експериментів Вони намагаються викликати привид Аксіона в контрольованому лабораторному середовищі. Деякі з них мають на меті перетворити світло на вісь, наприклад, а потім перетворити вісь на світло з іншого боку стіни.

Наразі найбільш чутливий підхід спрямований на гало темної матерії, яке пронизує галактику (і, отже, Землю), використовуючи пристрій під назвою корона. Це провідна порожнина, занурена в сильне магнітне поле. Перший підхоплює темну матерію, що оточує нас (припускаючи, що це аксони), а другий спонукає її перетворюватися на світло. Результатом є електромагнітний сигнал, який з’являється всередині порожнини, коливаючись із характерною частотою, яка залежить від маси аксіона.

Система працює як радіоприймач. Він повинен бути належним чином налаштований, щоб перехопити цікаву частоту. На практиці розміри резонатора змінюються для адаптації до різних характерних частот. Якщо частоти аксіона та порожнини не збігаються, це все одно, що налаштувати радіо на неправильний канал.

Потужний магніт транспортується в лабораторію Єльського університету. Авторство: Єльський університет

На жаль, канал, який ми шукаємо, неможливо передбачити заздалегідь. У нас немає іншого вибору, як просканувати всі можливі частоти. Це як вибрати радіостанцію в морі білого шуму – голку в стозі сіна – зі старим радіо, яке потрібно збільшувати або зменшувати кожного разу, коли ми повертаємо ручку частоти.

Однак це не єдині виклики. Космологія відноситься до Десятки гігагерц Як останній перспективний рубіж пошуку аксіонів. Оскільки вищі частоти вимагають менших порожнин, дослідження цієї області вимагатиме надто малих порожнин, щоб захопити значну кількість сигналу.

Нові експерименти намагаються знайти альтернативні шляхи. наш Експеримент поздовжній плазмоскоп (Альфа). Він використовує нову концепцію кавітації на основі метаматеріали.

Метаматеріали — це композиційні матеріали з універсальними властивостями, які відрізняються від своїх компонентів — це більше, ніж сума їх частин. Порожнина, заповнена провідними паличками, має характерну частоту, ніби вона в мільйон разів менша, а її розміри майже не змінюються. Це саме те, що нам потрібно. Крім того, ручки мають вбудовану систему регулювання, яку легко налаштувати.

Зараз ми створюємо установку, яка буде готова приймати дані через кілька років. Технологія перспективна. Його розробка стала результатом співпраці між фізиками твердого тіла, інженерами-електриками, фізиками елементарних частинок і навіть математиками.

Незважаючи на надуманість, аксіони підживлюють прогрес, який жоден привид ніколи не зможе усунути.

Написав Андреа Галло Руссо, докторант з фізики Стокгольмського університету.

Адаптовано зі статті, спочатку опублікованої в Розмова.