Пошук темної матерії за допомогою найхолоднішого матеріалу у Всесвіті

Для пошуку гіпотетичних аксіонів, з яких можливо складається темна матерія, вчені пропонують використовувати комагнетометри з конденсатом Бозе-Ейнштейна ізотопу рубідію.

Про це розповідають в Інституті фотонічних наук (ICFO), що в Кастельдефельсі, Іспанія.

Спостерігаючи за Всесвітом, вчені визначили, що приблизно 80% його маси складає «темна матерія», яка здійснює гравітаційне тяжіння, але не взаємодіє зі світлом, і тому її не можна побачити за допомогою телескопів. Наше сучасне розуміння космології та ядерної фізики дозволяє припустити, що темна матерія можливо зроблена з аксіонів, гіпотетичних частинок з незвичайними властивостями симетрії.

У новій статті, опублікованій у «Physical Review Letters» та поміченій як пропозиція редактора, дослідники ICFO Пау Гомес, Ферран Мартін, К'яра Мацзінгхі, Даніель Бенедікто Оренес та Сільвана Паласіос під керівництвом професора ICREA у ICFO Моргана У. Мітчелла повідомляють про те, як шукати аксіони за допомогою унікальних властивостей конденсатів Бозе-Ейнштейна.

Аксіон, якщо він існує, означав би існування «екзотичних спін-залежних сил». Магнетизм, найвідоміша спін-залежна сила, змушує електрони направляти свої спини вздовж магнітного поля, як голка у компаса, яка спрямовується на північ. Магнетизм переноситься віртуальними фотонами, тоді як «екзотичні» спін-залежні сили переносилися б віртуальними аксіонами (або аксіоноподібними частинками). Ці сили діяли б як на електрони, так і на ядра, і продукувалися б не лише магнітами, а й звичайною матерією. Щоби дізнатися, чи існують аксіони, добрий для цього спосіб – подивитися і побачити, чи ядра надають перевагу вказувати на іншу матерію.

Кілька експериментів вже шукають ці сили, використовуючи «комагнетометри», які являють собою парні магнітні сенсори, встановлені в одному й тому ж місці. Порівнюючи сигнали двох сенсорів, ефект звичайного магнітного поля можна виключити, залишивши лише ефект нової сили. Поки що комагнетометри змогли лише шукати спін-залежні сили, які сягають близько одного метра та більше. Щоб шукати спін-залежні сили у меншому діапазоні, потрібен комагнетометр меншого розміру.

Конденсати Бозе-Ейнштейна (BEC) – це гази, охолоджені майже до абсолютного нуля. Оскільки BEC надтекучі, їх складові атоми можуть обертатися протягом декількох секунд без будь-якого тертя, що робить їх надзвичайно чутливими як до магнітних полів, так і до нових екзотичних сил. BEC також дуже маленькі, розміром близько 10 мікрометрів. Однак для виготовлення BEC-комагнетометра потрібно вирішити складну проблему: як помістити два BEC-магнітометри в один і той же малий об’єм.

У своєму дослідженні Гомес та його колеги повідомляють, що їм вдалося вирішити цю проблему за допомогою двох різних внутрішніх станів одного і того ж конденсату Бозе-Ейнштейна з ізотопу рубідію-87, кожен з яких діяв як окремий, але суміщений магнітометр. Результати експерименту підтверджують прогнозовану високу несприйнятливість до шуму від звичайного магнітного поля та можливість шукати екзотичні сили із значно меншими діапазонами, ніж у попередніх експериментах. Окрім пошуку аксіонів, ця технологія може також покращити точність вимірювань у фізиці ультрахолодних зіткнень та дослідженнях квантової кореляції в BEC.

Нагадаємо, раніше вчені з Унверситету Ворика висунули кандидатом на темну матерію гексакварк d-зірки.

• Темна матерія
• фізика елементарних частинок