Дослідники пропонують перепризначати настільні датчики на пошук темної матерії

Вчені впевнені, що темна матерія існує. Проте, після понад 50 років пошуків, вони все ще не мають прямих доказів існування загадкової субстанції.

Про це розповідають в Делаверському університеті (UD), США.

Суаті Сінгх, з цього вишу, належить до невеликої групи дослідників темної матерії, які почали замислюватися, чи правильний тип темної матерії вони шукають.

"Що, якщо темна матерія набагато легша за те, що шукають традиційні експерименти з фізики частинок?", - сказала Сінгх, доцент кафедри електротехніки та обчислювальної техніки UD.

Тепер Сінгх, докторант UD Джек Менлі та співробітники Арізонського університету та Гаверфордського коледжу запропонували новий спосіб пошуку частинок, які можуть утворювати темну матерію, способом перепризначення існуючої технологію настільних датчиків. Нещодавно команда повідомила про свій підхід у статті, опублікованій у журналі "Physical Review Letters".

Співавторами статті є доцент оптичних наук з Арізони Далзіель Вілсон, докторант Арізони Мітул Дей Чоудхурі й доцент кафедри фізики Гаверфордського коледжу Даніель Грін.

Не звичайна матерія

Сингх пояснила, що якщо скласти всі речі, які випромінюють світло, такі як зірки, планети та міжзоряний газ, це становить лише близько 15% матерії у Всесвіті. Інші 85% відомі як темна матерія. Вона не випромінює світло, але дослідники знають, що вона існує завдяки своєму гравітаційному впливу. Вони також знають, що це не звичайна матерія, така як газ, пил, зірки, планети та ми.

"Вона може складатися з чорних дір, або може бути з чогось у трильйони разів меншого, ніж електрон, відомого як надлегка темна матерія", - сказала Сингх, квантовий теоретик, відома своїми новаторськими зусиллями щодо просування механічного виявлення темної матерії.

Одна з можливостей полягає в тому, що темна матерія складається з темних фотонів — типу темної матерії, яка б чинила слабку коливальну силу на нормальну матерію, змушуючи частинку рухатися вперед і назад. Однак, оскільки темна матерія знаходиться скрізь, вона прикладає таку силу на все, що завгодно, що ускладнює вимірювання цього руху.

Сингх та її співавтори заявили, що, на їхню думку, вони зможуть подолати цю перешкоду, використовуючи оптико-механічні акселерометри у якості датчиків для виявлення та посилення цього коливання.

"Якщо сила залежить від матеріалу, то використовуючи два об'єкти, які складаються з різних матеріалів, сила, що діє на них, буде різною, що означає, що ви зможете виміряти цю різницю в прискоренні між цими двома матеріалами", - сказав Менлі, провідний автор роботи.

Вільсон, квантовий експериментатор і один із співробітників команди UD, порівняв оптико-механічний акселерометр з мініатюрним камертоном. "Це вібраційний пристрій, який через свої невеликі розміри дуже чутливий до збурень із навколишнього середовища", - сказав він.

Тепер дослідники запропонували експеримент із використанням мембрани з нітриду кремнію та нерухомого дзеркала з берилію для відбиття світла між двома поверхнями. Якщо відстань між двома матеріалами зміниться, дослідники з відбитого світла дізнаються, що присутні темні фотони, оскільки нітрид кремнію та берилій мають різні властивості матеріалу.

За словами Менлі, співпраця була ключовою частиною розробки дизайну експерименту. Він та Сингх (теоретики) працювали з Вільсоном та Дей Чоудхурі (експериментаторами) над теоретичними розрахунками, які лягли в основу детального креслення для побудови запропонованого ними настільного датчика-акселерометра. Тим часом космолог Грін допоміг пролити світло на аспекти фізики елементарних частинок надлегкої темної матерії, наприклад, чому вона могла б бути надлегкою, чому вона могла б з’єднуватися з матеріалами по-різному і як вона могла б бути вироблена.

Як теоретик, Менлі сказав, що можливість дізнатись більше про те, як працюють пристрої та як експериментатори створюють речі для доведення теорії, які вони з Сингхом розробляють, поглибила його досвід, одночасно розширивши його уявлення про можливі кар'єрні шляхи.

Зростання обсягу роботи

Що важливо, ця остання робота ґрунтується на раніше опублікованому дослідженні співпраці команд, про яке повідомили минулого літа у "Physical Review Letters". У роботі, у якій приймав участь колишній аспірант UD Рассел Стамп, показано, що кілька існуючих та короткострокових лабораторних приладів досить чутливі для виявлення або виключення існування можливих частинок, які можуть бути надлегкою темною матерією.

Дослідження показало, що певні типи надлегкої темної матерії з’єднувалися б або парувалися б із нормальною матерією таким чином, що спричиняли б періодичну зміну розміру атомів. Хоча невеликі коливання розміру окремого атома може бути важко помітити, ефект посилюється в об'єкті, що складається з багатьох атомів, і подальше посилення може бути досягнуте, якщо цей об'єкт є акустичним резонатором. Спільна робота оцінила ефективність декількох резонаторів, виготовлених з різноманітних матеріалів, починаючи від надрідкого гелію і закінчуючи монокристалічним сапфіром, і було встановлено, що ці датчики можуть бути використані для виявлення сигналу деформації, викликаного темною матерією.

Обидва проекти були частково підтримані завдяки фінансуванню Сінгхи Національним науковим фондом для вивчення нових ідей щодо використання найсучасніших квантових пристроїв для виявлення астрофізичних явищ за допомогою настільних технологій, які є меншими та дешевшими за інші методи.

Разом із цим, за словами Сингхи, ці статті розширюють обсяг робіт щодо можливих способів виявлення темної матерії, і пропонують можливість появи нового покоління настільних експериментів.

Сінгх та Менлі також працюють з іншими експериментальними групами над розробкою додаткових настільних датчиків для пошуку такої темної матерії або інших слабких астрофізичних сигналів. Вони також активно розвивають ширші дискусії на цю тему в межах спільнот темної матерії та квантових датчиків.

Наприклад, нещодавно Сінгх обговорювала досягнення трансформаційних приладів у детекторах фізики частинок на віртуальному семінарі, організованому Координаційною комісією з перспективних детекторів (CPAD) Міністерства енергетики. Вона також представила ці результати на спеціальному семінарі під час квітневої зустрічі Американського фізичного товариства.

"Це хвилюючий час, і я багато чому вчусь із питань, заданих вченими з різних професій на таких семінарах", - каже Сінгх. "Але варто зазначити, що мої найоригінальніші дослідницькі ідеї все-таки виникають із питань, поставлених допитливими студентами".