Исследователи предлагают переназначать настольные датчики на поиск темной материи

Ученые уверены, что темная материя существует. Однако, после 50 лет поисков, они все еще не имеют прямых доказательств существования загадочной субстанции.

Об этом рассказывают в Делавэрском университете (UD), США.

Суат Сингх, из этого вуза, принадлежит к небольшой группе исследователей темной материи, которые начали задумываться, правильный ли тип темной материи они ищут.

"Что, если темная материя гораздо легче того, что ищут традиционные эксперименты по физике частиц?", - сказала Сингх, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники UD.

Теперь Сингх, докторант UD Джек Мэнли и сотрудники Аризонского университета и Гаверфордского колледжа предложили новый способ поиска частиц, которые могут образовывать темную материю, переназначением существующей технологии настольных датчиков. Недавно команда сообщила о своем подходе в статье, опубликованной в журнале "Physical Review Letters".

Соавторами статьи являются доцент оптических наук из Аризоны Далзиэл Уилсон, докторант Аризоны Митул Дэй Чоудхури и доцент кафедры физики Гаверфордского колледжа Даниэль Грин.

Не обычная материя

Сингх объяснила, что если сложить все вещи, которые излучают свет, такие как звезды, планеты и межзвездный газ, это составляет лишь около 15% материи во Вселенной. Остальные 85% известны как темная материя. Она не излучает свет, но исследователи знают, что она существует благодаря своему гравитационному воздействию. Они также знают, что это не обычная материя, такая как газ, пыль, звезды, планеты и мы.

"Она может состоять из черных дыр, или может быть из чего-то в триллионы раз меньшего, чем электрон, известного как сверхлегкая темная материя", - сказала Сингх, квантовый теоретик, известная своими новаторскими усилиями по продвижению механического обнаружения темной материи.

Одна из возможностей состоит в том, что темная материя состоит из темных фотонов - типа темной материи, которая оказывала бы слабую колебательную силу на нормальную материю, заставляя частицу двигаться вперед и назад. Однако, поскольку темная материя находится везде, она прикладывает такую силу на все, что угодно, что затрудняет измерение этого движения.

Сингх и ее соавторы заявили, что, по их мнению, они смогут преодолеть это препятствие, используя оптико-механические акселерометры в качестве датчиков для обнаружения и усиления этого колебания.

"Если сила зависит от материала, то используя два объекта, которые состоят из различных материалов, сила, действующая на них, будет разной, что означает, что вы сможете измерить эту разницу в ускорении между этими двумя материалами", - сказал Мэнли, ведущий автор работы.

Вильсон, квантовый экспериментатор и один из сотрудников команды UD, сравнил оптико-механический акселерометр с миниатюрным камертоном. "Это вибрационное устройство, которое через свои небольшие размеры очень чувствительно к возмущениям с окружающей среды", - сказал он.

Теперь исследователи предложили эксперимент с использованием мембраны из нитрида кремния и недвижимого зеркала из бериллия для отражения света между двумя поверхностями. Если расстояние между двумя материалами изменится, исследователи из отраженного света узнают, что присутствуют темные фотоны, поскольку нитрид кремния и бериллий имеют различные свойства материала.

По словам Мэнли, сотрудничество было ключевой частью разработки дизайна эксперимента. Он и Сингх (теоретики) работали с Вильсоном и Дэй Чоудхури (экспериментаторами) над теоретическими расчетами, которые легли в основу детального чертежа для построения предложенного ими настольного датчика-акселерометра. Между тем космолог Грин помог пролить свет на аспекты физики элементарных частиц сверхлегкой темной материи, например, почему она могла бы быть сверхлегкой, почему она могла бы соединяться с материалами по-разному и как она могла бы быть выработана.

Как теоретик, Мэнли сказал, что возможность узнать больше о том, как работают устройства и как экспериментаторы создают вещи для доказательства теории, которую они с Сингхом разрабатывают, углубила его опыт, одновременно расширив его представления о возможных карьерных путях.

Рост объема работы

Что важно, эта последняя работа основывается на ранее опубликованном исследовании сотрудничества команд, о котором сообщили прошлым летом в "Physical Review Letters". В работе, в которой принимал участие бывший аспирант UD Рассел Стамп, показано, что несколько существующих и краткосрочных лабораторных приборов достаточно чувствительны для выявления или исключения существования возможных частиц, которые могут быть сверхлегкой темной материей.

Исследование показало, что определенные типы сверхлегкой темной материи соединялись бы или спаривались бы с нормальной материей таким образом, что вызывали бы периодическую смену размера атомов. Хотя небольшие колебания размера отдельного атома было бы трудно заметить, эффект усиливается в объекте, состоящем из многих атомов, и дальнейшее усиление может быть достигнуто, если этот объект является акустическим резонатором. Совместная работа оценила эффективность нескольких резонаторов, изготовленных из различных материалов, Начиная от сверхжидкого гелия и заканчивая монокристаллическим сапфиром, и было установлено, что эти датчики могут быть использованы для обнаружения сигнала деформации, вызванного темной материей.

Оба проекта были частично поддержаны благодаря финансированию Сингх Национальным научным фондом для изучения новых идей по использованию современных квантовых устройств для обнаружения астрофизических явлений с помощью настольных технологий, которые являются меньшими и более дешевыми за другие методы.

Вместе с тем, по словам Сингх, эти статьи расширяют объем работ относительно возможных способов обнаружения темной материи, и предлагают возможность появления нового поколения настольных экспериментов.

Сингх и Мэнли также работают с другими экспериментальными группами над разработкой дополнительных настольных датчиков для поиска такой темной материи или других слабых астрофизических сигналов. Они также активно развивают широкие дискуссии на эту тему в рамках сообществ темной материи и квантовых датчиков.

Например, недавно Сингх обсуждала достижения трансформационных приборов в детекторах физики частиц на виртуальном семинаре, организованном Координационной комиссией по перспективным детекторам (CPAD) Министерства энергетики. Она также представила эти результаты на специальном семинаре во время апрельской встречи Американского физического общества.

"Это волнующее время, и я многому учусь по вопросам, заданным учеными из разных профессий на таких семинарах", - говорит Сингх. "Но стоит отметить, что мои оригинальные исследовательские идеи все-таки возникают из вопросов, поставленным любознательными студентами".