Вчені пропонують новий метод пошуку темної матерії

Нове дослідження в Physical Review Letters (PRL) запропонувало новий метод виявлення кандидатів світлої темної матерії за допомогою лазерної інтерферометрії для вимірювання коливальних електричних полів, створюваних цими кандидатами. Темна матерія є однією з найактуальніших проблем сучасної фізики, оскільки частинки темної матерії невловимі та їх важко виявити. Це спонукало вчених придумати нові та інноваційні способи пошуку цих частинок.

Є кілька кандидатів на роль частинок темної матерії, таких як WIMP, легкі частинки темної матерії (аксіони) і гіпотетичне гравітіно. Світла темна матерія, включаючи бозонні частинки, такі як аксіон КХД (квантова хромодинаміка), стала предметом інтересу в останні роки. Ці частинки зазвичай мають пригнічені взаємодії зі стандартною моделлю, що ускладнює їх виявлення. Однак знання їхніх характеристик, включаючи хвилеподібну поведінку та когерентну природу в галактичних масштабах, допомагає планувати ефективніші експерименти.

У новому дослідженні PRL дослідники з Університету Меріленда та Університету Джона Хопкінса запропонували Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics або GALILEO, новий підхід для виявлення темної матерії як аксіонів, так і темних фотонів у широкому діапазоні мас.

Провідний дослідник Реза Ебаді, аспірант Центру квантових технологій (QTC) Університету Меріленда, розповів Phys.org про дослідження та мотивацію для розробки цього нового підходу: «Хоча стандартна модель забезпечує успішне пояснення явищ у діапазоні від суб’ядерних відстаней до розміру Всесвіту, це не повне пояснення природи».

«Це не враховує космологічні спостереження, з яких зроблено висновок про існування темної матерії. Ми прагнемо отримати уявлення про фізичні теорії, що працюють у галактичних масштабах, використовуючи невеликі лабораторні експерименти».

Аксіони та аксіоноподібні частинки

Аксіони та аксіоноподібні частинки спочатку були запропоновані для вирішення проблем у фізиці елементарних частинок, таких як проблема сильної парності заряду (СР). Ця проблема виникає внаслідок спостереження, що сильна сила, здається, не демонструє певного типу порушення симетрії, яке називається порушенням CP, настільки, наскільки це передбачає теорія. Ця теоретична основа природним чином породжує аксіоноподібні частинки, які мають схожі властивості з аксіонами, причому обидва є бозонами.

Передбачається, що аксіони та аксіоноподібні частинки мають дуже низьку масу, як правило, від мікроелектронвольт до міліелектронвольт. Це робить їх придатними кандидатами для легкої темної матерії, оскільки вони можуть проявляти хвилеподібну поведінку в галактичних масштабах. На додаток до їх низької маси, аксіони та аксіоноподібні частинки дуже слабо взаємодіють зі звичайною матерією, що ускладнює їх виявлення за допомогою звичайних засобів.

Це деякі причини, чому дослідники вирішили виявити ці частинки у своїй експериментальній установці. Однак метод залежить від коливальних електричних полів, створених цими частинками. У регіонах зі значною щільністю темної матерії аксіони та ALP можуть зазнавати когерентних коливань. Ці когерентні коливання можуть породжувати сигнали, які можна виявити, наприклад коливальні електричні поля, для вимірювання яких спрямований запропонований експеримент GALILEO.

ГАЛІЛЕЙ

«Світла темна матерія-кандидати поводяться як хвилі в околицях Сонця. Передбачається, що такі хвилі темної матерії викликають дуже слабкі коливальні електричні поля з магнітними полями через їх незначну взаємодію з електромагнетизмом».

«Ми зосередилися на виявленні електричного поля, а не магнітного поля, яке є цільовим сигналом у більшості поточних і запропонованих експериментів», — пояснив Ебаді.

Світлі електричні поля, спричинені темною матерією, можна виявити за допомогою електрооптичних матеріалів, де зовнішнє електричне поле змінює властивості матеріалу, наприклад показник заломлення.

GALILEO використовує асиметричний інтерферометр Майкельсона, пристрій, який може вимірювати зміни показника заломлення. Одне плече інтерферометра містить електрооптичний матеріал. Коли зондуючий лазерний промінь розділяється і направляється через два плеча інтерферометра, плече, що містить електрооптичний матеріал, створює змінний показник заломлення. Ця зміна показника заломлення впливає на фазу лазерного променя, що призводить до появи коливального сигналу, коли промені знову об’єднуються.

Вимірюючи диференціальну фазову швидкість між двома плечами інтерферометра, GALILEO може виявити частоту коливань, викликаних світлою темною матерією. Цей коливальний сигнал служить ознакою присутності частинок темної матерії. Чутливість методу можна підвищити шляхом включення порожнин Фабрі-Перо (що збільшує довжину плеча інтерферометра, що забезпечує більшу точність) і проведення повторних незалежних вимірювань.

Лазерна інтерферометрія та впровадження GALILEO

Дослідження базується на точних вимірюваннях за допомогою лазерної інтерферометрії. Ебаді пояснив: «Яскравим прикладом того, як лазерні інтерферометри можна використовувати для точних вимірювань, є LIGO, наземний детектор гравітаційних хвиль».

«Наша пропозиція використовує подібні технологічні досягнення, як LIGO, такі як порожнини Фабрі-Перо або стиснуте світло для придушення межі квантового шуму. Однак, на відміну від LIGO, запропонований інтерферометр GALILEO є настільним пристроєм».

Незважаючи на те, що робота є теоретичною, у дослідників уже є плани поетапного впровадження експериментальної програми. Важливо, що вони хочуть визначити технічні параметри, необхідні для оптимізованої експериментальної установки, яку вони планують використовувати для проведення наукових експериментів з пошуку легкої темної матерії.

Крім того, Ебаді підкреслює важливість роботи високоякісних порожнин Фабрі-Перо разом із електрооптичним матеріалом усередині порожнини, а також описує бюджет шуму та систематику налаштування, які є ключовими аспектами експериментального процесу.

«GALILEO має потенціал стати важливим компонентом більшої місії дослідження величезного теоретично життєздатного простору кандидатів у темну матерію», — підсумував Ебаді.