"Вятърни камбанки" ще използват гравитацията, за да намерят „вятър“ от тъмна материя

Тайната за директно откриване на тъмна материя може да се крие във вятъра.

Загадъчната субстанция продължава да убягва на учените, въпреки че надвишава видимата материя във Вселената с около 8 към 1. Всички лабораторни опити за пряко откриване на тъмната материя, която се наблюдава само косвено чрез ефекта, който нейната гравитация оказва върху движението на звездите и галактиките, са останали без резултат.

Тези опити са разчитали на надеждата, че тъмната материя има поне някакво друго взаимодействие с обикновената материя освен гравитацията. Но предложеният експеримент, наречен Windchime (вятърни камбанки), макар и на десетилетия от осъществяване, ще опита нещо ново: ще търси тъмна материя, използвайки единствената сила, която гарантирано се усеща - гравитацията.

"Основната идея е изключително проста", твърди физик-теоретикът Даниел Карни (Daniel Carney), който описа схемата през май на среща на Отдела по атомна, молекулярна и оптична физика на Американското физическо общество в Орландо, Флорида. Подобно на вятърните камбанки на верандата, които дрънчат от вятъра, детекторът Windchime ще се опита да усети "вятъра" от тъмна материя, който духа покрай Земята, докато Слънчевата система се върти около галактиката.

Ако Млечният път е предимно облак от тъмна материя, както сочат астрономическите измервания, тогава би трябвало да се движим през него със скорост около 200 километра в секунда. Това създава вятър от тъмна материя по същата причина, заради която усещаме вятър, когато извадим ръката си през прозореца на движеща се кола.

Детекторът Windchime се основава на идеята, че набор от махала ще се люлее при вятър. В случая с вятърните камбанки това може да са метални пръчки или висящи звънчета, които звънят в движещия се въздух. За детектора на тъмна материя махалата са масиви от миниатюрни, свръхчувствителни детектори, които ще бъдат разклатени от гравитационните сили, които усещат от преминаващите частици тъмна материя. Вместо въздушните молекули да се отблъскват от металните камбанки, гравитационното привличане на частиците, които съставляват вятъра от тъмна материя, ще предизвиква характерни вълни, докато преминава през около милиард сензора в кутия с размери около метър на всяка страна.

^{В рамките на детектора Windchime (илюстриран като набор от малки махала), преминаваща частица тъмна материя (червена точка) ще придърпа гравитационно сензорите (сините квадратчета) и ще предизвика откриваема вълна, подобно на вятър, който духа през вятърните камбанки на балкона. Кредит: D. Carney et al/Physical Review D 2020}

Макар да изглежда логично да се търси тъмна материя с помощта на гравитацията, никой не е опитал това през почти 40-те години, откакто учените се занимават с нея. Това е така, защото гравитацията е сравнително много слаба сила и е трудно да се изолира в експерименти.

"Търси се тъмна материя, която да [предизвика] гравитационен сигнал в сензора", обяснява Карни, който работи и в Националната лаборатория "Лорънс Бъркли" в Калифорния. "И просто се питате... дали бих могъл да видя този гравитационен сигнал? Когато правите първата оценка, отговорът е "не". Всъщност това ще бъде непосилно трудно."

Това не спира Карни и малка група колеги да проучат идеята през 2020 г. "Преди тридесет години това щеше да е пълна лудост да се предложи", отбелязва Карни. "Все още е малко налудничаво, но е на границата на безумието."

Оттогава сътрудничеството в рамките на проекта Windchime се разраства и включва 20 физици. Те разполагат с прототип на Windchime, изграден от потребителски акселерометри, и го използват за разработване на софтуер и анализ, които ще доведат до окончателната версия на детектора, но той е далеч от окончателния проект. Карни смята, че може да са нужни още няколко десетилетия, за да се разработят достатъчно добри сензори за измерване на гравитацията дори за тежка тъмна материя.

Карни се основава на времето за разработка на Лазерния интерферометър за гравитационни вълни, или LIGO, който е проектиран да търси гравитационни пулсации, идващи от сблъсък на черни дупки. Когато LIGO е бил замислен за първи път, разказва Карни, е било ясно, че технологията ще трябва да бъде подобрена сто милиона пъти. В резултат на десетилетията разработки е създадена обсерватория, която търси в небето гравитационни вълни. С Windchime "сме абсолютно по същия сценарий", подчертава Карни.

Дори в окончателния си вид Windchime ще бъде чувствителен само към частици тъмна материя, които са с приблизителна маса на фина прашинка. Това е огромна стойност в спектъра на известните частици - повече от милион трилиона пъти масата на протона.

"Съществуват множество много интересни кандидати за тъмна материя в [този мащаб], които определено си заслужава да бъдат търсени ... включително първични черни дупки от ранната Вселена", обяснява Катрин Фрийз (Katherine Freese), физик от Мичиганския университет в Ан Арбър, която не участва в сътрудничеството на Windchime.

Тя отбелязва, че черните дупки бавно се изпаряват, като изпускат маса обратно в пространството, което би могло да остави много реликви, формирани скоро след Големия взрив, с масата, която Windchime може да открие.

Но ако никога не открие нищо, експериментът все пак се отличава от другите схеми за откриване на тъмна материя, казва Дан Хупър (Dan Hooper), физик във Фермилаб в Батавия, щата Илинойс, който също не е свързан с проекта. Това е така, защото това ще бъде първият експеримент, който може напълно да изключи някои видове тъмна материя.

Дори и експериментът да не покаже нищо, Хупър казва, че "удивителното в случая [Windchime] ... е, че независимо от всичко друго, което знаете за частиците тъмна материя, те не са в този диапазон на маси". При съществуващите експерименти неуспехът да се открие каквото и да било може да се дължи на погрешни предположения за силите, които влияят на тъмната материя.

Windchime ще бъде единственият все още въображаем експеримент, при който невиждането на нищо ще каже окончателно на изследователите какво не е тъмната материя. С малко късмет обаче той може да открие вятър от малки черни дупки или дори по-екзотични късчета тъмна материя, които духат покрай нас, докато се въртим около Млечния път.

Справка:

D. Carney. Quantum opto-mechanics and dark matter across disparate scales. American Physical Society Division of Atomic, Molecular and Optical Physics meeting, Orlando, Fla., May 30, 2022. 

D. Carney et al. Proposal for gravitational direct detection of dark matter. Physical Review D. Vol. 102, October 1, 2020, 072003. doi: 10.1103/PhysRevD.102.072003.

Източник: The Windchime experiment could use gravity to hunt for dark matter ‘wind’, James Riordon, Science News

Още по темата

25/03/2022

Физика

Масивните гравитони - връстници на Хигс бозона и подходящи кандидати за тъмна материя?

13/12/2021

Космос

Учени предлагат нов модел на тъмна материя с тежки съставни частици

25/10/2021

Физика

Нова теория на MOND, която не изисква тъмна материя и отчита космическия микровълнов фон

17/09/2021

Космос

Експеримент-ловец на тъмна материя, може би е открил директно тъмна енергия