Австралийские ученые делают большие шаги к разгадке одной из величайших загадок Вселенной: природы невидимой «темной материи». Эксперимент ORGAN, первый крупный детектор темной материи в Австралии, недавно завершил поиск гипотетической частицы под названием аксион — популярного кандидата среди теорий, пытающихся объяснить темную материю. ORGAN наложил новые ограничения на возможные характеристики аксионов и тем самым помог сузить их поиск. Но мы забегаем вперед… Около 14 миллиардов лет назад все маленькие кусочки материи — фундаментальные частицы, которые позже станут вами, планетой и галактикой, — были сжаты в одну очень плотную, горячую область. Затем произошел Большой взрыв, и все разлетелось на части. Частицы объединились в атомы, которые в конечном итоге слиплись, образовав звезды, которые взорвались и создали все виды экзотической материи. Через несколько миллиардов лет появилась Земля, которая в конце концов кишела маленькими существами, называемыми людьми. Крутая история, правда? Оказывается, это не вся история; это даже не половина.
Люди, планеты, звезды и галактики состоят из «обычной материи». Но мы знаем, что обычная материя составляет лишь одну шестую часть всей материи во Вселенной. Остальное состоит из того, что мы называем «темной материей». Его название говорит вам почти все, что мы знаем о нем. Он не излучает свет (поэтому мы называем его «темным») и имеет массу (поэтому мы называем его «материей»). Когда мы наблюдаем, как предметы движутся в пространстве, мы снова и снова обнаруживаем, что не можем объяснить наши наблюдения, если будем рассматривать только то, что можем видеть. Вращающиеся галактики — отличный пример. Большинство галактик вращаются со скоростью, которую нельзя объяснить только гравитационным притяжением видимой материи. Значит, в этих галактиках должна быть темная материя, обеспечивающая дополнительную гравитацию и позволяющая им вращаться быстрее, не отбрасывая части в космос. Мы думаем, что темная материя буквально удерживает галактики вместе. Значит, во Вселенной должно быть огромное количество темной материи, притягивающей все, что мы можем видеть. Это проходит и через тебя, как какой-то космический призрак. Вы просто не можете этого почувствовать.
Многие ученые считают, что темная материя может состоять из гипотетических частиц, называемых аксионами. Первоначально аксионы были предложены как часть решения другой серьезной проблемы в физике элементарных частиц, называемой «сильной проблемой CP» (о которой мы могли бы написать целую статью). Как бы то ни было, после того, как был предложен аксион, ученые поняли, что при определенных условиях частица также может образовывать темную материю. Это потому, что ожидается, что аксионы будут иметь очень слабое взаимодействие с обычной материей, но все же иметь некоторую массу: два условия, необходимые для темной материи. Что ж, поскольку считается, что темная материя окружает нас повсюду, мы можем построить детекторы прямо здесь, на Земле. И, к счастью, теория, предсказывающая аксионы, также предсказывает, что аксионы могут преобразовываться в фотоны (частицы света) при правильных условиях. Это хорошая новость, потому что мы отлично умеем обнаруживать фотоны. Именно этим и занимается ORGAN. Он создает правильные условия для преобразования аксионов в фотоны и ищет слабые сигналы фотонов — небольшие вспышки света, генерируемые темной материей, проходящей через детектор. Такой эксперимент называется аксионным галоскопом и впервые был предложен в 1980-х годах. Сегодня в мире их несколько, и каждый из них немного отличается в важных отношениях.
Считается, что аксион превращается в фотон в присутствии сильного магнитного поля. В типичном галоскопе мы генерируем это магнитное поле с помощью большого электромагнита, называемого «сверхпроводящим соленоидом». Внутри магнитного поля мы размещаем одну или несколько полых металлических камер, которые предназначены для улавливания фотонов и заставляют их отражаться внутри, облегчая их обнаружение. Однако есть одна загвоздка. Все, что имеет температуру, постоянно испускает небольшие случайные вспышки света (поэтому и работают тепловизионные камеры). Эти случайные выбросы или «шум» затрудняют обнаружение слабых сигналов темной материи, которые мы ищем. Чтобы обойти это, мы поместили наш резонатор в «холодильник растворения». Этот причудливый холодильник охлаждает эксперимент до криогенных температур, около -273 ° C, что значительно снижает шум. Чем холоднее будет эксперимент, тем лучше мы сможем «услышать» слабые фотоны, возникающие при преобразовании темной материи.
Аксион определенной массы преобразуется в фотон определенной частоты или цвета. Но поскольку масса аксионов неизвестна, эксперименты должны нацеливать свои поиски на разные регионы, сосредоточив внимание на тех, где темная материя считается более вероятной. Если сигнал темной материи не обнаружен, то либо эксперимент недостаточно чувствителен, чтобы услышать сигнал выше шума, либо в соответствующей области массы аксиона нет темной материи. Когда это происходит, мы устанавливаем «предел исключения» — это просто способ сказать: «Мы не нашли никакой темной материи в этом диапазоне масс и на этом уровне чувствительности». Это говорит остальному сообществу исследователей темной материи направить свои поиски в другое место. ORGAN — самый чувствительный эксперимент в целевом диапазоне частот. Его недавний запуск не обнаружил сигналов темной материи. Этот результат установил важный предел исключения для возможных характеристик аксионов. Это первая фаза многолетнего плана по поиску аксионов. В настоящее время мы готовим следующий эксперимент, который будет более чувствительным и нацелен на новый, пока еще неизведанный диапазон масс.
Ну, во-первых, мы знаем из истории, что когда мы инвестируем в фундаментальную физику, мы в конечном итоге разрабатываем важные технологии. Например, все современные вычисления основаны на нашем понимании квантовой механики. Мы бы никогда не открыли электричество или радиоволны, если бы не занимались вещами, которые в то время казались странными физическими явлениями, находящимися за пределами нашего понимания. Темная материя такая же. Подумайте о том, чего достигли люди, поняв лишь одну шестую материи во Вселенной, и представьте, что мы могли бы сделать, если бы открыли все остальное.
