|
Как превратить темную материю в реальный свет
|
|
|
|
Призрак бродит по нашей Вселенной. Астрономам и космологам это известно уже несколько десятилетий. Наблюдения показывают, что около 85% всей материи во Вселенной является таинственной и невидимой. Эти два качества отражены в ее названии: темная материя. Несколько экспериментов были направлены на то, чтобы выяснить, из чего она состоит, но, несмотря на десятилетия поисков, ученые так и не смогли этого сделать. Теперь наш новый эксперимент, проводимый в Йельском университете в США, предлагает новую тактику. Темная материя присутствует во Вселенной с незапамятных времен, стягивая звезды и галактики воедино. Невидимая и едва различимая, она, похоже, не взаимодействует ни со светом, ни с каким-либо другим видом материи. На самом деле, это должно быть что-то совершенно новое. Стандартная модель физики элементарных частиц неполна, и это проблема. Мы должны искать новые фундаментальные частицы. Удивительно, но те же недостатки стандартной модели дают ценные подсказки о том, где они могут скрываться.
|
|
|
|
Давайте возьмем, к примеру, нейтрон. Он образует атомное ядро вместе с протоном. Несмотря на то, что в целом он нейтрален, теория утверждает, что он состоит из трех заряженных частиц, называемых кварками. Из–за этого мы ожидали бы, что некоторые части нейтрона будут заряжены положительно, а другие отрицательно - это означало бы, что он обладает тем, что физики называют электрическим дипольным моментом. Тем не менее, многие попытки измерить его привели к одному и тому же результату: он слишком мал, чтобы его можно было обнаружить. Еще один призрак. И мы говорим не о недостатках инструментов, а о параметре, который должен быть меньше одной части на 10 миллиардов. Она настолько мала, что люди задаются вопросом, может ли она вообще равняться нулю. Однако в физике математический ноль всегда является убедительным утверждением. В конце 70-х годов физики элементарных частиц Роберто Печчеи и Хелен Куинн (а позже Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг) попытались совместить теорию и фактические данные.
|
|
|
Они предположили, что, возможно, этот параметр не равен нулю. Скорее, это динамическая величина, которая постепенно теряла свой заряд, эволюционируя до нуля, после Большого взрыва. Теоретические расчеты показывают, что, если такое событие произошло, оно должно было оставить после себя множество легких, незаметных частиц. Они были названы "аксионами" в честь марки стирального порошка, потому что могли "прояснить" проблему нейтронов. И даже больше. Если аксионы были созданы в ранней Вселенной, то с тех пор они никуда не делись. Самое главное, что их свойства соответствуют всем ожиданиям от темной материи. По этим причинам аксионы стали одними из излюбленных частиц-кандидатов на роль темной материи. Аксионы будут слабо взаимодействовать с другими частицами. Однако это означает, что они все равно будут взаимодействовать. Невидимые аксионы могут даже превращаться в обычные частицы, включая, по иронии судьбы, фотоны, которые являются основой света. Это может происходить при определенных обстоятельствах, например, при наличии магнитного поля. Это находка для физиков-экспериментаторов.
|
|
|
|
Многие эксперименты направлены на то, чтобы вызвать аксионный призрак в контролируемой среде лаборатории. Некоторые, например, стремятся преобразовать свет в аксионы, а затем аксионы обратно в свет по другую сторону стены. В настоящее время наиболее чувствительный подход нацелен на изучение ореола темной материи, пронизывающего галактику (и, следовательно, Землю), с помощью устройства, называемого галоскопом. Это проводящая полость, погруженная в сильное магнитное поле; первая улавливает окружающую нас темную материю (предполагая, что это аксионы), в то время как вторая индуцирует преобразование в свет. В результате внутри резонатора возникает электромагнитный сигнал, колеблющийся с характерной частотой, зависящей от массы аксиона. Система работает как радиоприемник. Ее необходимо правильно настроить, чтобы она перехватывала интересующую нас частоту. На практике размеры резонатора изменяются с учетом различных характерных частот. Если частоты аксиона и резонатора не совпадают, это похоже на настройку радиоприемника на неправильный канал.
|
|
|
|
К сожалению, заранее предсказать, какой канал мы ищем, невозможно. У нас нет другого выбора, кроме как просмотреть все возможные частоты. Это все равно, что искать радиостанцию в море белого шума — иголку в стоге сена — со старым радиоприемником, который при каждом повороте регулятора частоты становится то больше, то меньше. Но это не единственные трудности. Космология указывает на десятки гигагерц как на новейший и многообещающий рубеж для поиска аксионов. Поскольку для более высоких частот требуются резонаторы меньшего размера, для исследования этой области потребуются резонаторы слишком малого размера, чтобы уловить значимый объем сигнала. Новые эксперименты пытаются найти альтернативные пути. В нашем эксперименте с продольным плазменным галоскопом Axion (Alpha) используется новая концепция резонатора, основанная на метаматериалах.
|
|
|
|
Метаматериалы — это композитные материалы с глобальными свойствами, которые отличаются от их составляющих - они представляют собой нечто большее, чем просто сумму их составляющих частей. Полость, заполненная проводящими стержнями, приобретает характерную частоту, как если бы она была в миллион раз меньше, при этом ее объем практически не меняется. Это именно то, что нам нужно. Кроме того, стержни обеспечивают встроенную, легко настраиваемую систему настройки. В настоящее время мы создаем установку, которая будет готова к приему данных через несколько лет. Технология является многообещающей. Ее разработка является результатом сотрудничества физиков твердого тела, инженеров-электриков, специалистов по физике элементарных частиц и даже математиков. Несмотря на то, что аксионы настолько неуловимы, они способствуют прогрессу, который никогда не сможет отнять ни один призрак.
|
|
|
|
Источник
|
