Поиск темной материи с помощью самого холодного материала во Вселенной

Для поиска гипотетических аксионов, из которых возможно состоит темная материя, ученые предлагают использовать комагнетометры с конденсатом Бозе-Эйнштейна изотопа рубидия.

Об этом рассказывают в Институте фотонных наук (ICFO), что в Кастельдефельсе, Испания.

Наблюдая за Вселенной, ученые определили, что примерно 80% ее массы составляет «темная материя», которая осуществляет гравитационное притяжение, но не взаимодействует со светом, и поэтому ее нельзя увидеть с помощью телескопов. Наше современное понимание космологии и ядерной физики позволяет предположить, что темная материя может быть сделана из аксионов, гипотетических частиц с необычными свойствами симметрии.

В новой статье, опубликованной в «Physical Review Letters» и помеченной как предложение редактора, исследователи ICFO Пау Гомес, Ферран Мартин, Кьяра Мацзингхи, Даниэль Бенедикто Оренес и Сильвана Паласиос под руководством профессора ICREA в ICFO Моргана В. Митчелла сообщают о том, как искать аксиони с помощью уникальных свойств конденсатов Бозе-Эйнштейна.

Аксион, если он существует, означал бы существование «экзотических спин-зависимых сил». Магнетизм, известная спин-зависимая сила, заставляет электроны направлять свои спины вдоль магнитного поля, как игла в компасе, которая направляется на север. Магнетизм переносится виртуальными фотонами, тогда как «экзотические» спин-зависимые силы переносились бы виртуальными аксионами (или аксионоподобными частицами). Эти силы действовали бы как на электроны, так и на ядра, и производились бы не только магнитами, но и обычной материей. Чтобы узнать, существуют ли аксионы, хорош для этого способ - посмотреть и увидеть, предпочитают ли ядра указывать на другую материю.

Несколько экспериментов уже ищут эти силы, используя «комагнетометры», которые представляют собой парные магнитные сенсоры, установленные в одном и том же месте. Сравнивая сигналы двух сенсоров, эффект обычного магнитного поля можно исключить, оставив только эффект новой силы. Пока комагнетометры смогли только искать спин-зависимые силы, которые составляют около одного метра и более. Для поиска спин-зависимых силы в меньшем диапазоне, нужен комагнетометр меньшего размера.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна (BEC) – это газы, охлажденные почти до абсолютного нуля. Поскольку BEC сверхтекучий, составляющие их атомы могут вращаться в течение нескольких секунд без какого-либо трения, что делает их чрезвычайно чувствительными как к магнитным полям, так и к новым экзотическим силам. BEC также очень маленькие, размером около 10 микрометров. Однако для изготовления BEC-комагнетометра нужно решить сложную проблему: как поместить два BEC-магнитометра в один и тот же малый объем.

В своем исследовании Гомес и его коллеги сообщают, что им удалось решить эту проблему с помощью двух различных внутренних состояний одного и того же конденсата Бозе-Эйнштейна из изотопа рубидия-87, каждый из которых действовал как отдельный, но совмещенный магнитометр. Результаты эксперимента подтверждают прогнозируемую высокую невосприимчивость к шуму от обычного магнитного поля и возможность искать экзотические силы со значительно меньшими диапазонами, чем в предыдущих экспериментах. Кроме поиска аксиона, эта технология может также улучшить точность измерений в физике ультрахолодных столкновений и исследованиях квантовой корреляции в BEC.

Напомним, ранее ученые из Унверситета Уорика выдвинули кандидатом на темную материю гексакварк d-звезды.