|
Левитирующий магнит и новые горизонты темной материи
|
|
|
|
Исследователи из Университета Райса использовали магнитно-левитирующую частицу для поиска сверхтяжелой темной материи, расширяя возможности поиска некоторых из самых тяжелых форм невидимой материи, которые, как считается, удерживают галактики вместе. Под руководством Кристофера Туннелла, доцента кафедры физики и астрономии, исследователи использовали крошечный плавающий магнит в качестве высокочувствительного детектора, предназначенного для регистрации слабого толчка, который может произвести сверхтяжелая частица темной материи, проходя через нее.
|
|
|
|
Темная материя играет фундаментальную роль в структуре Вселенной, влияя на формирование и стабильность галактик, таких как Млечный Путь. Однако ученым еще предстоит определить ее состав. Понимание того, из чего состоит темная материя, может расширить знания о том, как формировались и эволюционировали галактики.
|
|
|
|
Большинство экспериментов с темной материей сосредоточены на частицах с массой, близкой к массе атомов, но некоторые теории предполагают, что частицы могут быть значительно тяжелее, потенциально достигая массы живой клетки. Это исследование, проведенное под руководством Райса, демонстрирует, как плавающий магнит может расширить поиск и включить в него этих более тяжелых кандидатов. Результаты были обнародованы на Международной конференции по физике элементарных частиц и космологии в 2026 году.
|
|
|
|
|
|
|
"Темная материя может скрываться в массах, на которые наши традиционные эксперименты никогда не были рассчитаны", - сказал Туннелл. "Превратив крошечный плавающий магнит в детектор, мы можем начать поиск в той части ландшафта темной материи, которая в значительной степени была недоступна для экспериментов, несмотря на то, что была предметом обширных теоретических исследований моего коллеги по космологии Эндрю Лонга".
|
|
|
|
Крошечный детектор, ожидающий своего часа
|
|
|
|
Детектор представляет собой постоянный магнит размером примерно с песчинку. Он парит над сверхпроводником, охлажденным до температуры чуть выше абсолютного нуля, самой низкой из физически достижимых температур. Поскольку магнит не соприкасается ни с какой поверхностью, трение значительно уменьшается, что позволяет приводить его в движение даже при незначительном усилии.
|
|
|
|
Исследователи наблюдали за магнитом достаточно внимательно, чтобы обнаружить движение, составляющее примерно одну сотую ширины атома. Такая чувствительность позволила им обнаружить чрезвычайно слабые взаимодействия. Если бы сверхтяжелая частица темной материи прошла через детектор и вступила во взаимодействие с обычной материей, это могло бы дать магниту крошечный толчок.
|
|
|
|
"Вместо того, чтобы искать устойчивый сигнал, мы ждем очень слабых толчков", - сказал Цзюэхан Цинь, научный сотрудник Rice и автор-корреспондент исследования. "Задача состоит в том, чтобы сделать детектор достаточно тихим и чувствительным, чтобы, если что-то необычное подтолкнет его, мы могли увидеть это движение и определить, может ли это быть темная материя".
|
|
|
|
Исследователи собирали данные около месяца и сосредоточили свой анализ на спокойных ночных периодах, когда внешние возмущения были сведены к минимуму. Они проводили поиск совместно с исследователями из Лейдена, Нидерланды, где почти столетие назад ученые обнаружили первые свидетельства того, что невидимая материя может влиять на движение звезд.
|
|
|
|
Прислушиваясь к различному сигналу
|
|
|
|
В эксперименте используется другой подход, отличный от поиска более легких форм темной материи. Большие детекторы предназначены для поиска частиц с массой, близкой к атомной. Более тяжелые датчики, такие как левитирующий магнит, дают ученым возможность исследовать частицы с гораздо большей массой.
|
|
|
|
Ранее этот же аппарат использовался для поиска сверхлегкой темной материи, которая могла бы генерировать слабое повторяющееся взаимодействие. Сверхтяжелая темная материя требует другой стратегии. Вместо того чтобы прислушиваться к непрерывному сигналу, исследователи наблюдали за импульсом, внезапным толчком, который мог возникнуть в результате прохождения одной частицы через детектор.
|
|
|
|
"Никто еще не комбинировал этот тип сенсора, такой уровень чувствительности и длительный период прослушивания для поиска сверхтяжелой темной материи таким образом", - сказал Дориан Амарал, бывший научный сотрудник Rice и автор-корреспондент исследования. "Что делает этот подход многообещающим, так это то, что мы применяем технологию, предназначенную для измерения чрезвычайно малых взаимодействий, к различным областям поиска темной материи".
|
|
|
|
Для эксперимента требовались три условия: относительно тяжёлый датчик, способность регистрировать микроскопические силы и длительные периоды стабильных измерений. В совокупности эти условия позволили исследователям изучить массы частиц тёмной материи, которые выходили за рамки предыдущих экспериментов с левитирующими частицами.
|
|
|
|
Сужая круг возможных мест, где может скрываться тёмная материя
|
|
|
|
В конечном счёте исследователи не обнаружили никаких признаков взаимодействия сверхтяжёлых частиц тёмной материи с детектором. Отсутствие сигнала само по себе является полезным результатом, поскольку позволяет исключить определённые комбинации массы частиц и силы взаимодействия, при которых должен был бы возникнуть регистрируемый сигнал.
|
|
|
|
В ходе эксперимента были изучены девять порядков масс частиц тёмной материи, и удалось обнаружить частицы, которые примерно в 10 миллионов раз тяжелее тех, что изучались в предыдущих экспериментах с левитацией. В средней части диапазона поиска миллиграммовый магнит позволил установить строгие ограничения на силу взаимодействия сверхтяжёлых частиц с обычной материей.
|
|
|
|
Эти результаты помогают сузить круг возможных вариантов, которые предстоит изучить учёным. Хотя для поиска частиц с меньшей массой по-прежнему необходимы крупные детекторы, исследование под руководством учёных из Университета Райса демонстрирует, что левитирующие датчики могут исследовать гораздо более тяжёлые частицы тёмной материи.
|
|
|
|
В дальнейшем исследователи планируют ещё больше охладить магнит и собирать данные в течение более длительного времени. Они также планируют одновременно поднять в воздух несколько магнитов, что поможет отличить возможное взаимодействие с темной материей от вибраций и других фоновых помех.
|
|
|
|
Источник
|
