Когда-нибудь это может стать первым прямым исследованием темной материи с использованием только гравитации
Секрет прямого обнаружения темной материи может быть развеян по ветру.
Таинственное вещество продолжает ускользать от ученых, несмотря на то, что оно превышает вес видимой материи во Вселенной примерно в 8:1. Все лабораторные попытки непосредственного обнаружения темной материи, видимые лишь косвенно по влиянию ее гравитации на движение звезд и галактик, остались безуспешными.
Эти попытки были основаны на надежде, что темная материя имеет хотя бы какое-то другое взаимодействие с обычной материей помимо гравитации (SN: 25.10.16). Но предложенный эксперимент под названием «Музыка ветра», несмотря на то, что до его реализации несколько десятков лет, попытается сделать что-то новое: он будет искать темную материю, используя единственную силу, которую она гарантированно ощущает, - гравитацию.
«Основная идея чрезвычайно проста», - говорит физик-теоретик Дэниел Карни, который описал схему в мае на собрании Отдела атомно-молекулярной и оптической физики Американского физического общества в Орландо, штат Флорида. музыка ветра на крыльце, дребезжащая на ветру, детектор Windchime попытается ощутить «ветер» темной материи, дующий мимо Земли, когда Солнечная система вращается вокруг галактики.
Если Млечный Путь состоит в основном из облака темной материи, как предполагают астрономические измерения, то мы должны плыть через него со скоростью около 200 километров в секунду. Это создает ветер темной материи по той же причине, по которой вы чувствуете ветер, когда высовываете руку из окна движущегося автомобиля.
Детектор музыки ветра основан на представлении о том, что набор маятников будет качаться на ветру. В случае с колокольчиками на заднем дворе это могут быть металлические стержни или подвесные колокольчики, которые звенят в движущемся воздухе. Для детектора темной материи маятники представляют собой массивы мельчайших сверхчувствительных детекторов, которые будут сталкиваться с гравитационными силами, которые они ощущают при прохождении частиц темной материи. Вместо того, чтобы молекулы воздуха отскакивали от металлических колокольчиков, гравитационное притяжение частиц, из которых состоит ветер темной материи, будет вызывать отчетливую рябь, когда он проходит через миллиард или около того датчиков в коробке со стороной около метра.
Хотя поиск темной материи с помощью гравитации может показаться логичным, за почти 40 лет, пока ученые изучают темную материю в лаборатории, никто не пытался этого сделать. Это потому, что гравитация сравнительно очень слабая сила, и ее трудно выделить в экспериментах.
«Вы ищете темную материю, которая [вызывает] гравитационный сигнал в датчике», - говорит Карни из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии. - А ты просто спроси… Могу ли я увидеть этот гравитационный сигнал? Когда вы впервые делаете оценку, ответ - нет. На самом деле это будет невероятно сложно.
Это все равно не помешало Карни и небольшой группе коллег изучить эту идею в 2020 году. «Тридцать лет назад такое предложение было бы полным безумием», - говорит он. «Это все еще сумасшествие, но уже на грани безумия».
Сотрудничество Windchime Project с тех пор расширилось до 20 физиков. У них есть прототип Windchime, построенный из коммерческих акселерометров, и они используют его для разработки программного обеспечения и анализа, которые приведут к окончательной версии детектора, но это далеко не окончательный дизайн. По оценкам Карни, может потребоваться еще несколько десятилетий, чтобы разработать датчики, достаточно хорошие для измерения гравитации даже тяжелой темной материи.
Карни основывает временную шкалу на разработке лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, или LIGO, которая была разработана для поиска гравитационной ряби, исходящей от сталкивающихся черных дыр (SN: 11.02.16). По его словам, когда LIGO впервые задумали, было ясно, что технологию нужно будет усовершенствовать в сто миллионов раз. Десятилетия развития привели к созданию обсерватории, которая смотрит на небо в гравитационных волнах. С Windchime «мы в одной лодке», - говорит он.
Даже в своей окончательной форме Windchime будет чувствителен только к частицам темной материи, масса которых примерно равна пылинке. Это огромно для спектра известных частиц - более чем в миллион триллионов раз больше массы протона.
«Существует множество очень интересных кандидатов в темную материю в [этом масштабе], которые определенно стоит поискать … включая первичные черные дыры из ранней Вселенной», - говорит Кэтрин Фриз, физик из Университета. из Мичигана в Анн-Арборе, который не участвует в сотрудничестве с Windchime. Она отмечает, что черные дыры медленно испаряются, высвобождая массу обратно в космос, что может оставить много реликвий, сформировавшихся вскоре после Большого Взрыва при той массе, которую смог обнаружить Windchime.
Но даже если он вообще ничего не обнаруживает, эксперимент все равно выделяется среди других схем обнаружения темной материи, говорит Дэн Хупер, физик Фермилаборатории в Батавии, штат Иллинойс, также не связанный с проектом. Это потому, что это будет первый эксперимент, который сможет полностью исключить некоторые типы темной материи.
Даже если эксперимент ничего не даст, Хупер говорит: «Удивительная вещь в [Музыке ветра]… заключается в том, что независимо от того, что вы знаете о частицах темной материи, они не находятся в этом диапазоне масс..«В существующих экспериментах невозможность обнаружения чего-либо может быть связана с ошибочными предположениями о силах, влияющих на темную материю (SN: 7/7/22).
Windchime станет единственным из предполагаемых экспериментов, когда ничего не видя, окончательно скажет исследователям, чем темная материя не является. Однако, если повезет, он сможет обнаружить ветер крошечных черных дыр или еще более экзотических кусочков темной материи, проносящихся мимо, пока мы летим вокруг Млечного Пути.