Темную материю предложили детектировать с помощью маятников


Темную материю предложили детектировать с помощью маятников

Daniel Carney et al. / Physical Review D, 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.

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая

проявляет себя только в гравитационном взаимодействии. Это означает и то, что

она не участвует в электромагнитном взаимодействии, а значит не излучает,

из-за чего ее нельзя зафиксировать напрямую (поэтому темная материя и получила

такое название). Однако есть множество косвенных доказательств существования

этой формой материи: к ним относятся аномально высокие скорости вращения периферических

областей галактик, гравитационное

линзирование и другие эффекты, которые объясняются существованием во

вселенной некой скрытой массы.

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.

Сейчас поиск темных частиц осуществляется в массовом

диапазоне от нескольких килоэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт, отчасти,

потому что в схожем диапазоне находятся и массы известных нам элементарных

частиц и адронов. К примеру, в этом направлении работает один из самых

чувствительных детекторов темной материи XENON1T,

который недавно зарегистрировал

избыток событий с частицами массой порядка нескольких килоэлектронвольт. Принципиально

другой подход у экспериментов по поиску темных бозонов во взаимодействии

нейтронов и электронов по энергетическим уровням различных изотопов одного

атома: в них также находят

следы темных частиц с массой порядка десятков мегаэлектронвольт. Однако ранее

не проводились попытки напрямую зарегистрировать очень тяжелую частицу темной

материи, масса которой позволила бы физикам увидеть последствия ее

гравитационного взаимодействия с окружающей материей.

Теперь же 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 такую систему

равномерно расставленных маятников в трехмерной полости детектора 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 характерное 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 другими «ошибками» регистрации.

Темную материю предложили детектировать с помощью маятников

Схема прохождения темной частицы через массив маятников (слева) и моделирование данного процесса с учетом шума (справа)

Daniel Carney et al. / Physical Review D, 2020

Методы подавления подобного шума авторы проверили при

моделировании подобной системы маятников. Они показали, что сочетанием радиационной защиты и понижения температуры вплоть до 10 милликельвин вместе с подбором массы грузов маятников и расстояния между ними можно

добиться регистрации до нескольких десятков событий в год. С шумом, который

неизменно остается даже после оптимизации детектора, физики предлагают бороться

за счет системы фильтрации на основе произвольности данного шума: в отличие от

колебаний, рожденных из-за прохождения темной частицы, шум должен быть некоррелированным.

Также они оценили потенциальный вклад коррелированного шума и оценили сложность

алгоритмов, которые могут быть применены в будущих экспериментах: ученым

удалось показать, что измерения достаточно снимать с N2 маятников (в случае если N3 — их общее число).

Темную материю предложили детектировать с помощью маятников

Зависимость прогнозируемой частоты регистрации темной частицы в зависимости от ее массы и параметров детектора.

Daniel Carney et al. / Physical Review D, 2020

Авторы также отмечают схожесть возникающих в такой системе маятников квантовых шумов с

теми, с которыми успешно борются на детекторе гравитационных волн aLIGO, ссылаясь на успех последнего несмотря

на чрезвычайную сложность проводимых на эксперименте измерений. 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.

Массу темных частиц пытаются ограничить исходя не только из

теоретических предсказаний, но и из экспериментальных данных: ранее физики исключили легкие

аксионы с массой порядка 10-21 электронвольт из числа кандидатов на

темную материю. Про теоретические модели темной материи можно узнать в нашем

тесте «Какая

ты темная материя?».

Никита Козырев

Источник: nplus1.ru