«Приховані» фотони можуть пролити світло на таємничу темну матерію

Новий метод може допомогти вченим пролити світло на найзагадковішу субстанцію Всесвіту, звузивши полювання на конкретного кандидата в темну матерію — приховані «темні фотони».

Темна матерія становить приблизно 85% вмісту матерії у Всесвіті, однак, оскільки вона не взаємодіє зі світлом або взаємодіє дуже слабо, вона залишається фактично невидимою. Той факт, що темна матерія, здається, не взаємодіє електромагнітно, означає, що вчені знають, що вона не може складатися з атомів, які складають «нормальну» матерію, з якої складаються зірки, планети та наші тіла.

Таємниця темної матерії є такою гострою проблемою для вчених, оскільки це означає, що матерія, яку ми бачимо, становить лише 15% речовини, не враховуючи енергії, у космосі. Це призвело до пошуку потенційних кандидатів у темну матерію, таких як так звані «приховані» або «темні» фотони.

Ці темні фотони відрізнятимуться від звичайних фотонів, які є безмасовими частинками, що утворюють світло, оскільки темні фотони теоретично мають масу. Однак маса темних фотонів була б крихітною, приблизно на двадцять порядків величини меншою за масу електрона. Саме ця надлегка природа робить темні фотони хорошим кандидатом на роль темної матерії, а також робить їх неймовірно складними для виявлення.

Темні фотони спочатку були запропоновані як кандидати на темну матерію, оскільки, теоретично, вони слабо взаємодіяли б зі звичайними фотонами, тобто могли зіграти певну роль у нагріванні раннього Всесвіту. Ця дія могла б пояснити, чому космічна мережа, великомасштабна структура у Всесвіті, що з’єднує галактики, була гарячішою, ніж передбачалося під час спостереження космічного телескопа Хаббла.

Тепер дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) винайшли новий метод виявлення темних фотонів. І хоча ця нова стратегія ще не виявила жодної з гіпотетичних частинок, вона наклала обмеження на їхні характеристики, що допоможе майбутнім пошукам.

«Чутливість експерименту з темною матерією прихованих фотонів залежить від потужності сигналу темної матерії в порівнянні з найменшим сигналом, який ви можете виявити», — сказав Phys.org член команди Микита Клімович, науковий співробітник факультету фізики Оксфордського університету . 

«Для пошуку прихованих фотонів амплітуда сигналу темної матерії залежить від площі використовуваної металевої тарілки, тоді як мінімальний рівень сигналу, який можна виявити, значною мірою визначається рівнем шуму [перешкод] підсилювачів, які використовуються для зчитування антени, – додав Климович.

Полювання на ультрахолодну темну матерію

Натхнення для пошуку темних фотонів команди походить від попередньої спроби полювання на приховану темну матерію під назвою експеримент SHUKET, який використовує електромагнітний телескоп. 

«Попередні пошуки, які надихнули цю роботу, як-от експеримент SHUKET, загалом мали на меті максимізувати потужність сигналу за допомогою дуже великої антени з використанням найкращих комерційно доступних малошумних підсилювачів, до яких вони мали доступ», — пояснив Клімович.

Однак у новому дослідженні команда застосувала інший підхід, використовуючи квантово-обмежені підсилювачі, а не стандартні підсилювачі, і виконуючи полювання на темні фотони за неймовірно низьких температур. Вони шукали при температурах від мінус 459 градусів за Фаренгейтом (мінус 272,9 градусів за Цельсієм) до мінус 459,6682 градусів за Фаренгейтом (мінус 273,149 градусів за Цельсієм), що лише на частку градуса вище найнижчої теоретично можливої ​​температури, абсолютного нуля.

Незважаючи на те, що це дозволило вченим значно знизити мінімальний рівень сигналу, який вони могли виявити, порівняно з іншими експериментами з використанням готових технологій, у нього був серйозний недолік. Невелике вакуумно-ізольоване середовище кріостата, який вчені використовували для охолодження свого пристрою, сильно обмежувало розмір сферичної металевої чаші, яку вони могли використовувати під час пошуку. 

Хоча це означало набагато нижчий сигнал, ніж той, який виявили SHUKET та інші експерименти з пошуку темної матерії, команда сподівалася, що цей недолік буде компенсовано підвищеною чутливістю вимірювань, які вони збирають. 

«Якби існував прихований фотон з масою, що відповідає частотному діапазону, до якого ми були чутливі, ми мали б побачити невеликий надлишок потужності, що надходить від тарілки, порівняно з еталонним», — сказав Клімович. «Оскільки ми не бачили такого сигналу, ми могли б встановити нову верхню межу зв’язку такої прихованої частинки фотона з електромагнітним полем на основі найменшого рівня сигналу, який ми змогли б виявити».

Хоча сигнал темних фотонів не був присутній у вимірюваннях команди, підхід, використаний вченими, наклав суворі нові обмеження на теоретичні приховані фотони. Оскільки пошук кандидатів у темну матерію триває, ці обмеження та цей новий підхід можуть зрештою зіграти роль у відкритті темних фотонів і, таким чином, у розгадці таємниці темної матерії.

«Крім нових обмежень, встановлених на виявлення, ми продемонстрували дуже доступний підхід для експериментів із прихованими фотонами в майбутньому», — підсумував Клімович. Джерело