Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-14-10
Гравитационные интерферометры попытаются поймать легкие частицы темной материи

Сентябрь 2019

Японские физики предложили использовать гравитационные детекторы для поиска частиц темной материи. Предполагается, что при столкновениях с гипотетическими частицами зеркала детекторов должны немного отклоняться. По словам ученых, с помощью нового метода можно ужесточить ограничения на сечение рассеяния легких темных частиц, масса которых не превышает одной пятой от массы протона. Препринт доступен на сайте arXiv.org.

Когда сквозь Землю проходит гравитационная волна, все ее объекты практически незаметно растягиваются и сжимаются. Например, если волна была испущена при слиянии двух черных дыр с массой порядка нескольких масс Солнца, то относительное изменение длины объектов составит около 10⁻²¹. Почувствовать такое растяжение с помощью обычных приборов практически невозможно, однако гравитационные детекторы LIGO и Virgo с этой задачей справляются.

Группа физиков под руководством Масаки Мори (Masaki Mori) предложила использовать невообразимую чувствительность гравитационных детекторов для поиска частиц темной материи. В основе нового метода лежит следующая идея. Поскольку Земля движется относительно центра галактики со скоростью около 200 километров в секунду, а гало темной материи в первом приближении неподвижно, нашу планету постоянно продувает ветер из темных частиц. Если сечение взаимодействия этих частиц с частицами обычной материи конечно, то они могут сталкиваться с атомами зеркала, передавать зеркалу импульс и искажать интерференционную картину гравитационного детектора. Следовательно, из сигнала можно выделить ограничения на частоту таких столкновений, сечение и массу темных частиц.

Учитывая состав и геометрические параметры зеркал, установленных в разных интерферометрах (LIGO, Virgo, строящегося детектора KAGRA и гипотетического телескопа Эйнштейна), ученые оценили форму сигнала, который возникает после столкновения темной частицы и зеркала. Сигнал выглядел как резкий пик, расположенный на соответствующей резонансной частоте.

Чтобы проверить это предположение, ученые теоретически рассмотрели столкновение темной частицы и цилиндрического зеркала. Вообще говоря, такое столкновение может возбудить два принципиально разных типа колебаний. Во-первых, частица подталкивает зеркало и заставляет его качаться (чтобы снизить воздействие вибраций, зеркала гравитационного интерферометра подвешивают на тонких стеклянных нитях). Во-вторых, она заставляет его дрожать, словно желе. Учитывая состав и геометрические параметры зеркал, установленных на интерферометрах LIGO и Virgo, строящегося детектора KAGRA и гипотетического ученые оценили форму сигнала, возникающего после столкновения темной частицы и зеркала. Для обоих типов колебаний сигнал выглядел как довольно резкий пик на соответствующей резонансной частоте.

Хотя пока ни один детектор темной материи не поймал гипотетические частицы, физики продолжают улучшать существующие экспериментальные установки и разрабатывать новые. Впрочем, фокус этих разработок постепенно смещается в сторону легких частиц темной материи, для которых существующие ограничения пока недостаточно жестки.

_{nplus1.ru, 11 сентября 2019, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2019/09/11/WIMPs}

_{Препринт доступен на сайте arXiv.org.}

_{Масаки Мори (Masaki Mori)}

_{https://arxiv.org/abs/1909.00654}