Миллиард крошечных маятников может обнаружить недостающую массу Вселенной

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их коллеги предложили новый метод обнаружения темной материи, загадочного материала космоса, который не был обнаружен на протяжении десятилетий. Темная материя составляет около 27% Вселенной; обычная материя, такая как материал, из которого строятся звезды и планеты, составляет всего 5% космоса. (Остальные 68% составляют таинственная сущность, называемая темной энергией).

По мнению космологов, весь видимый материал во Вселенной просто плавает в огромном море темной материи — частиц, которые невидимы, но, тем не менее, имеют массу и создают гравитационную силу. Гравитация темной материи обеспечит недостающий клей, который удерживает галактики от развала, и объяснит, как материя слиплась вместе, образуя богатую галактическую ткань Вселенной.

Предлагаемый эксперимент, в котором маятники размером в миллиард миллиметров будут действовать как датчики темной материи, будет первым, кто будет охотиться за темной материей исключительно за счет ее гравитационного взаимодействия с видимой материей. Эксперимент будет одним из немногих, в котором будут искать частицы темной материи с массой, равной массе крупинки соли, масштабы, которые редко исследуются и никогда не исследуются датчиками, способными регистрировать крошечные гравитационные силы.

Предыдущие эксперименты искали темную материю, ища негравитационные признаки взаимодействия между невидимыми частицами и некоторыми видами обычной материи. Так было при поисках гипотетического типа темной материи, называемого WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы), который более двух десятилетий был ведущим кандидатом на роль невидимого материала. Физики искали доказательства того, что, когда WIMP иногда сталкиваются с химическими веществами в детекторе, они излучают свет или излучают электрический заряд.

Исследователи, ищущие вимпов таким образом, либо пришли с пустыми руками, либо получили неубедительные результаты; частицы слишком легкие (теоретически их масса колеблется между массой электрона и протона), чтобы их можно было обнаружить за счет их гравитационного рывка.

Поскольку поиск WIMP, похоже, на последнем издыхании, исследователи из NIST и их коллеги теперь рассматривают более прямой метод поиска частиц темной материи, которые имеют большую массу и, следовательно, обладают гравитационной силой, достаточно большой для обнаружения.

«Наше предложение основывается исключительно на гравитационной связи, единственной связи, которая, как мы знаем наверняка, существует между темной материей и обычной светящейся материей», — сказал соавтор исследования Дэниел Карни, физик-теоретик, сотрудничающий с NIST, Объединенным квантовым институтом (JQI). ) и Объединенный центр квантовой информации и компьютерных наук (QuICS) в Университете Мэриленда в Колледж-Парке, а также Национальная ускорительная лаборатория Ферми.

Исследователи, в число которых также входит Джейкоб Тейлор из NIST, JQI и QuICS; Сохитри Гош из JQI и QuICS; и Гордан Крняик из Национальной ускорительной лаборатории Ферми подсчитали, что их метод может искать частицы темной материи с минимальной массой, примерно вдвое меньшей, чем у крупинки соли, или примерно в миллиард миллиардов раз больше массы протона. Ученые сообщают о своих выводах сегодня в Physical Review D .

Поскольку единственное, что неизвестно в эксперименте, — это масса частицы темной материи, а не то, как она взаимодействует с обычной материей, «если кто-то построит эксперимент, который мы предлагаем, он либо обнаружит темную материю, либо исключит всех кандидатов в темную материю в широком диапазоне возможные массы «, — сказал Карни. Эксперимент будет чувствителен к частицам в диапазоне от примерно 1/5 000 миллиграмма до нескольких миллиграммов.

Эта шкала масс особенно интересна, потому что она охватывает так называемую массу Планка, величину массы, определяемую исключительно тремя фундаментальными константами природы и эквивалентную примерно 1/5 000 грамма.

Карни, Тейлор и их коллеги предлагают две схемы своего эксперимента с гравитационной темной материей. Оба включают в себя крошечные механические устройства миллиметрового размера, действующие как чрезвычайно чувствительные детекторы гравитации. Датчики будут охлаждаться до температур чуть выше абсолютного нуля, чтобы минимизировать связанные с нагревом электрические шумы и быть защищены от космических лучей и других источников радиоактивности. В одном из сценариев каждый из множества высокочувствительных маятников будет слегка отклоняться в ответ на рывок проходящей частицы темной материи.

Подобные устройства (с гораздо большими размерами) уже использовались в недавнем получившем Нобелевскую премию обнаружении гравитационных волн, ряби в ткани пространства-времени, предсказываемых теорией гравитации Эйнштейна. Тщательно подвешенные зеркала, которые действуют как маятники, перемещаются меньше, чем длина атома, в ответ на проходящую гравитационную волну.

В другой стратегии исследователи предлагают использовать сферы, левитирующие магнитным полем, или шарики, левитирующие лазерным светом. В этой схеме левитация отключена в начале эксперимента, так что сферы или бусинки находятся в свободном падении. Гравитация пролетающей частицы темной материи хоть немного нарушила бы путь свободно падающих объектов.

«Мы используем движение объектов в качестве сигнала», — сказал Тейлор. «Это существенно отличается от любого другого детектора физики элементарных частиц».

Исследователи подсчитали, что для того, чтобы отличить настоящую частицу темной материи от обычной частицы или ложных случайных электрических сигналов или «шума», вызывающих ложную тревогу в датчиках, требуется массив из примерно миллиарда крошечных механических датчиков, распределенных по кубическому метру. Обычные субатомные частицы, такие как нейтроны (взаимодействующие посредством негравитационной силы), остановились бы мертвыми в одном детекторе. Напротив, ученые ожидают, что частица темной материи, пролетая мимо массива, как миниатюрный астероид, будет гравитационно покачивать все детекторы на своем пути, один за другим.

Шум заставит отдельные детекторы двигаться беспорядочно и независимо, а не последовательно, как частицы темной материи. В качестве бонуса скоординированное движение миллиарда детекторов покажет направление, в котором движется частица темной материи, когда она перемещается через массив.

Команда ученых предполагает, что для изготовления такого количества крошечных датчиков исследователи могут захотеть позаимствовать методы, которые уже используются в индустрии смартфонов и автомобилестроении для производства большого количества механических детекторов.

Благодаря чувствительности отдельных детекторов исследователям, использующим эту технологию, не нужно ограничиваться темной стороной. Уменьшенная версия того же эксперимента могла бы обнаружить слабые силы от далеких сейсмических волн, а также от прохождения обычных субатомных частиц, таких как нейтрино и одиночные фотоны с низкой энергией (частицы света).

По словам Карни, в более мелкомасштабном эксперименте можно было бы даже искать частицы темной материи — если они передадут достаточно большой толчок детекторам за счет негравитационной силы, как предсказывают некоторые модели.

«Мы ставим перед собой амбициозную цель — создать гравитационный детектор темной материи, но исследования и разработки, необходимые для достижения этой цели, открыли бы дверь для многих других методов обнаружения и метрологических измерений», — сказал Карни.

Исследователи из других институтов уже начали проводить предварительные эксперименты, используя план команды NIST.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Видео, иллюстрирующее измерение массы темной материи

---

Ссылка на журнал :

1. Дэниел Карни, Сохитри Гош, Гордан Крняик, Джейкоб М. Тейлор. Предложение по гравитационному прямому обнаружению темной материи . Physical Review D , 2020; 102 (7) DOI: 10.1103 / PhysRevD.102.072003