Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-12-15
Темную материю предложили детектировать с помощью маятников

Октябрь 2020

Американские физики описали способ детектирования частиц темной материи с помощью массива из большого числа (порядка миллиарда) маленьких маятников с массой от нескольких миллиграмм. По задумке ученых, если охладить и изолировать от излучения такой набор маятников, то по их коллективному отклонению можно увидеть траекторию полета темной частицы и зарегистрировать факт ее присутствия в системе. Исследователи предложили методы борьбы с квантовыми шумами и показали, что таким образом можно детектировать частицы темной материи с массой порядка десятков микрограмм и более. Статья опубликована в журнале Physical Review D.

Темной материи нет места в общепринятых моделях, описывающих многообразие частиц и взаимодействий в нашем мире, в том числе в Стандартной модели, что указывает на ее неполноту. Но чтобы подтвердить или опровергнуть новые теории, которые пытаются объяснить существование этого скрытого типа материи, физикам необходимо получить представление о ее свойствах, в первую очередь о массе темных частиц. Поэтому так важно прямое экспериментальное обнаружение темной материи: оно позволило бы не только подтвердить ее существование, но и помочь понять ее природу.

Дэниэл Карни (Daniel Carney) из университета Мэриленд предложил детектировать частицы темной материи с массой больше массы Планка (22 микрограмма или 1,22 × 10¹⁹ гигаэлектронвольт в рациональной системе единиц) с помощью массива маленьких маятников. Как показали расчеты Карни и его коллег, для эффективного детектирования частиц темной материи масса груза маятника может варьироваться в диапазоне между микрограммами и граммами, а число маятников в детекторе должно быть порядка миллиарда. Прохождение тяжелой темной частицы через систему равномерно расставленных маятников должно привести их в коррелированное движение, которое можно выделить из общего шума и фона. По величине отклонения маятника можно также судить и о массе детектируемой частицы.

Сложность таких измерений заключается в крайне малом отклонении маятников, сопоставимым с квантовым шумом, а также время взаимодействия: при средней скорости темной частицы в 220 километров в секунду характерное время взаимодействия не превышает 10^-8 секунды. Поэтому в такой системе особо важную роль играет система подавления шума, связанного с квантовыми колебаниями, фоновыми событиями и «ошибками» регистрации.

Авторы отмечают схожесть возникающих в такой системе маятников квантовых шумов с теми, с которыми успешно борются на детекторе гравитационных волн aLIGO, ссылаясь на успех последнего. Ученые говорят и об области применимости подобного детектора в рамках современных представлений о темной материи: при такой массе темная частица наверняка не будет элементарной и может представлять собой темное ядро или связанный сгусток темных кварков. Однако при повышении числа маятников в детекторе есть вероятность, что в зону его чувствительности попадут и тяжелые элементарные частицы темной материи в рамках потенциальной теории Великого объединения.

_{nplus1.ru, 15 октября 2020, Никита Козырев}

_{https://nplus1.ru/news/2020/10/15/dark-matter-pendulums}

_{Журнал Physical Review D, 2020}

_{Дэниэл Карни (Daniel Carney) из университета Мэриленд}