Учени предлагат нов метод за търсене на лека тъмна материя

Ваня Милева Последна промяна на 18 март 2024 в 00:00 2993 0

Карта на тъмната материя от 2021 г., използваща набор от данни за слаба гравитационна леща. Кредит: Dark Energy Survey.

Кредит darkenergysurvey.org/des-year-3-cosmology-results-papers/

Карта на тъмната материя от 2021 г., използваща набор от данни за слаба гравитационна леща. Кредит: Dark Energy Survey.

Ново изследване предлага метод за откриване на леки кандидати за тъмна материя, използвайки лазерна интерферометрия за измерване на осцилиращите електрически полета, генерирани от тези кандидати.

Тъмната материя е едно от най-наболелите предизвикателства в съвременната физика, защото частиците тъмна материя засега са неуловими и трудно откриваеми. Това подтиква учените да измислят нови и иновативни начини за търсене на тези частици.

Съществуват няколко кандидати за частици на тъмната материя, като WIMP, леки частици на тъмната материя (аксиони) и хипотетичното гравитино. Леката тъмна материя, включително бозонни частици като аксионът от квантовата хромодинамика, стана повод за интерес през последните години.

Тези частици обикновено имат незабележими взаимодействия със Стандартния модел, което ги прави трудни за откриване. Все пак изучаването на техните характеристики, включително вълновото им поведение и кохерентната им природа в галактически мащаби, помага за разработването на по-ефективни експерименти.

В новото проучване на изследователи от Университета на Мериленд и Университета " Джонс Хопкинс" предлагат Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics или GALILEO - нов подход за откриване както на аксиони, така и на тъмни фотони от тъмна материя в широк диапазон от маси.

Водещият изследовател Реза Ебади (Reza Ebadi), дипломант в Центъра за квантови технологии (QTC) към Университета на Мериленд, разказва пред Phys.org за изследването и мотивацията за разработването на този нов подход: "Въпреки че Стандартният модел дава успешни обяснения на явления, вариращи от субядрени разстояния до размера на Вселената, той не е цялостно обяснение на природата."

"Той не успява да обясни космологичните наблюдения, от които се прави извод за съществуването на тъмна материя. Стремежът ни е да получим представа за физичните теории, действащи в галактически мащаби, с помощта на малки лабораторни експерименти."

Аксиони и аксионоподобни частици

Първоначално аксионите и аксионоподобните частици са предложени за решаване на проблеми във физиката на елементарните частици, като например проблема със силния заряд и четността (CP). Този проблем възниква от наблюдението, че силното взаимодействие изглежда не проявява определен вид нарушение на симетрията, наречено нарушение на CP, толкова, колкото теорията предвижда, че би трябвало.

Тази теоретична рамка естествено води до появата на аксионоподобни частици, които имат сходни свойства с аксионите, като и двете са бозони.

Предполага се, че аксионите и аксионоподобните частици имат много малки маси, които обикновено варират от микроелектронволта до милиелектронволта. Това ги прави подходящи кандидати за лека тъмна материя, защото те могат да проявят вълново поведение в галактически мащаби.

Освен малката си маса аксионите и аксионоподобните частици взаимодействат много слабо с обикновената материя, което ги прави трудни за откриване с конвенционални средства.

Това са някои от причините, поради които изследователите са избрали да открият тези частици в своята експериментална уредба. Методът обаче зависи от осцилиращите електрически полета, създавани от тези частици.

В области със значителна плътност на тъмната материя аксионите и ALP могат да претърпят кохерентни осцилации. Тези кохерентни осцилации могат да доведат до откриваеми сигнали, като например осцилационни електрически полета, които предложеният експеримент GALILEO има за цел да измери.

Предвидена чувствителност на експеримента GALILEO за търсене на аксиони (вляво) и тъмни фотони (вдясно) в тъмната материя. Кредит: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.101001
GALILEO

"Кандидатите за лека тъмна материя се държат като вълни в околностите на Слънцето. Предполага се, че такива вълни от тъмна материя предизвикват много слаби осцилиращи електрически полета с магнитни полета поради миниатюрните си взаимодействия с електромагнетизма."

"Фокусирахме се върху откриването на електрическото поле, а не на магнитното поле, което е целевият сигнал в повечето настоящи и предложени експерименти", обяснява Ебади.

Електрическите полета, предизвикани от леката тъмна материя, могат да бъдат открити с помощта на електрооптични материали, при които външното електрическо поле променя свойствата на материала, като например коефициента на пречупване.

GALILEO използва асиметричен интерферометър на Майкелсън - устройство, което може да измерва промените в коефициента на пречупване. Едното рамо на интерферометъра съдържа електрооптичния материал.

Когато лазерният лъч на сондата се раздели и се изпрати през двете рамена на интерферометъра, рамото, съдържащо електрооптичния материал, въвежда променлив коефициент на пречупване. Тази промяна в показателя на пречупване влияе върху фазата на лазерния лъч, което води до осцилиращ сигнал, когато лъчите се обединят отново.

Чрез измерване на диференциалната скорост на фазата между двете рамена на интерферометъра, GALILEO може да открие честотата на осцилациите, предизвикани от светлата тъмна материя. Този осцилиращ сигнал служи като знак за наличието на частици тъмна материя.

Чувствителността на метода може да бъде увеличена чрез включване на кухини на Фабри-Перо (които увеличават дължината на рамото на интерферометъра, което позволява по-голяма точност) и извършване на многократни независими измервания.

Лазерна интерферометрия и прилагане на GALILEO

Изследването се основава на прецизни измервания чрез лазерна интерферометрия.

"Ярък пример за това как лазерните интерферометри могат да се използват за прецизни измервания е LIGO - наземният детектор на гравитационни вълни" обяснява Ебади.

"Нашето предложение използва сходни технологични постижения като LIGO, като например кухини на Фабри-Перо (Fabry-Perot cavities) или компресирана светлина за потискане на границата на квантовия шум. Въпреки това, за разлика от LIGO, предложеният интерферометър GALILEO е устройство в настолен мащаб."

Въпреки че работата е теоретична, изследователите вече имат планове за осъществяване на експерименталната програма стъпка по стъпка.

Важното е, че те искат да определят техническите параметри, необходими за оптимизирана експериментална установка, която планират да използват за провеждане на научни експерименти за търсене на лека тъмна материя.

Освен това Ебади подчертава важността на работата с високофинитни Фабри-Перотови кухини заедно с електрооптичния материал в кухината, както и характеризирането на бюджета на шума и систематиката на настройката, които са решаващи аспекти на експерименталния процес.

"GALILEO има потенциала да бъде важен компонент от по-голямата мисия за изследване на огромното теоретично пространство от кандидати за тъмна материя", заключава Ебади.

Справка: Reza Ebadi et al, GALILEO: Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.101001.

Източник: GALILEO: Scientists propose a new method to search for light dark matter, Tejasri Gururaj , Phys.org

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !