Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-15-13
Физики предложили искать темную материю с помощью детекторов гравитационных волн

Декабрь 2021

Физики предложили новый метод обнаружения частиц легкой темной материи с помощью детекторов гравитационных волн. Ученые проанализировали данные, собранные немецкой гравитационной обсерваторией GEO600, но не нашли в них сигнала темной материи, установив таким образом более строгие ограничения на интенсивность ее взаимодействия с обычным веществом. Исследование опубликовано в Nature.

В большинстве моделей масса вимпов лежит в диапазоне от нескольких гигаэлектронвольт до массы Планка (приблизительно 1019 гигаэлектронвольт). Существуют, однако, модели темной материи, в которой масса ее частиц очень мала.

Одной из таких моделей является дилатонная темная материя, частицы которой могут быть возмущениями полей дилатона или модулей, чье существование предсказывает Теория струн. Модели дилатонной темной материи утверждают, что ее частицы рождаются в ранней Вселенной, а в настоящее время представляют собой почти когерентно осциллирующее поле, частота осцилляций которого связана с массой частиц темной материи. Когерентность нарушается локальными возмущениями гравитационного потенциала, которые создают галактики и их скопления, но для темной материи, составляющей обычное галактическое гало, отношение разброса частот к самой частоте колебаний мало и равно приблизительно 10^-6.

Масса частиц дилатонной темной материи существенно меньше одного электронвольта (напомним, что масса электрона чуть больше 0,5 мегаэлектронвольта, а масса протона почти равна одному гигаэлектронвольту), а ее взаимодействие с полями Стандартной модели имеет очень специфический вид — в простейшем случае в уравнениях движения поле темной материи с определенными коэффициентами добавляется к массе электрона и обратному квадрату его заряда, превращая их из констант в переменные в пространстве-времени величины. От значения массы и заряда электрона зависят свойства атомов, а следовательно, и состоящих из них веществ. Изменение этих параметров ведет в частности к изменению показателя преломления и размера твердых тел, которые предположительно можно наблюдать экспериментально.

Группа физиков из Великобритании и Германии под руководством Хартмута Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа предложила новый метод поиска частиц легкой темной материи с использованием детекторов гравитационных волн.

Идея группы Гроте заключается в том, что из-за разного коэффициента отражения двух поверхностей разделяющего цилиндра, он взаимодействует с двумя лучами по-разному, и изменение размера цилиндра и коэффициента преломления света в нем из-за взаимодействия с полем легкой темной материи создает разницу в оптических длинах путей и без всяких гравитационных волн. Именно этот эффект физики и предложили искать. Для своего эксперимента они выбрали немецкий детектор гравитационных волн GEO600, так как он наиболее чувствителен к разнице в оптических длинах путей двух лучей.

Ученые рассмотрели три типа дилатонной темной материи. Первый из них представляет собой простейший вариант, в котором темная материя взаимодействует только с электроном и фотоном. Во второй теории темная материя взаимодействует аналогичным образом еще и с глюонным, и с кварковыми полями. Третья модель во многом похожа на вторую, но взаимодействие темной материи с полями Стандартной модели в ней возникает через смешивание дилатона с полем бозона Хиггса. Проанализировав данные, собранные GEO600, физики не обнаружили темной материи, описываемой ни одной из трех теорий.

Результаты исследования закрыли теории дилатонной темной материи для величин в диапазоне масс частиц от 10^-13 до 10^-11 электронвольт. Эти ограничения в данном интервале масс более чем на шесть порядков величины более строгие, чем те, которые были получены в спектроскопических экспериментах, и на четыре порядка лучше, чем в проверках принципа эквивалентности.

_{nplus1.ru, 21 декабря 2021, Андрей Фельдман}

_{https://nplus1.ru/news/2021/12/21/light-scalar-dark-matter}

_{Журнал Nature, 2021}

_{Хартмут Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа}

_{https://www.nature.com/articles/s41586-021-04031-y}