|
Новый метод поиска светлой темной материи
|
|
|
|
Новое исследование в Physical Review Letters (PRL) предложило новый метод обнаружения кандидатов в светлую темную материю с использованием лазерной интерферометрии для измерения колебательных электрических полей, генерируемых этими кандидатами. Темная материя является одной из наиболее актуальных проблем в современной физике, поскольку частицы темной материи неуловимы и их трудно обнаружить. Это побудило ученых придумать новые и новаторские способы поиска этих частиц. Существует несколько кандидатов на роль частиц темной материи, таких как WIMPs, легкие частицы темной материи (аксионы) и гипотетическое гравитино. Легкая темная материя, включая бозонные частицы, такие как аксион КХД (квантовой хромодинамики), стала объектом интереса в последние годы.
|
|
|
|
Взаимодействия этих частиц, как правило, подавляются стандартной моделью, что затрудняет их обнаружение. Однако знание их характеристик, включая их волнообразное поведение и когерентную природу в масштабах галактики, помогает разрабатывать более эффективные эксперименты. В новом исследовании PRL исследователи из Университета Мэриленда и Университета Джона Хопкинса предложили галактический аксионный лазерный интерферометр, использующий электрооптику или GALILEO, новый подход к обнаружению как аксионной, так и темной фотонной материи в широком диапазоне масс. Ведущий исследователь Реза Эбади, аспирант Центра квантовых технологий (QTC) Мэрилендского университета, рассказал изданию Phys.org об исследованиях и их мотивации для разработки этого нового подхода: "Хотя стандартная модель обеспечивает успешные объяснения явлений, варьирующихся от субядерных расстояний до размеров Вселенной, это не полное объяснение природы".
|
|
|
"Это не учитывает космологические наблюдения, из которых следует существование темной материи. Мы стремимся получить представление о физических теориях, действующих в масштабах галактики, используя маломасштабные лабораторные эксперименты". Аксионы и аксионоподобные частицы первоначально были предложены для решения задач физики элементарных частиц, таких как проблема сильной зарядовой четности (CP). Эта проблема возникает из наблюдения, что сильное взаимодействие, по-видимому, не проявляет особого типа нарушения симметрии, называемого CP-нарушением, в той степени, в какой это предсказывает теория. Эта теоретическая основа естественным образом приводит к появлению аксионоподобных частиц, которые обладают свойствами, сходными с аксионами, причем оба являются бозонами.
|
|
|
|
Аксионы и аксионоподобные частицы, по прогнозам, будут иметь очень низкие массы, обычно варьирующиеся от микроэлектронвольт до миллиэлектронвольт. Это делает их подходящими кандидатами на роль светлой темной материи, поскольку они могут проявлять волнообразное поведение в галактических масштабах. В дополнение к их низкой массе аксионы и аксионоподобные частицы очень слабо взаимодействуют с обычной материей, что затрудняет их обнаружение обычными средствами. Вот некоторые причины, по которым исследователи решили обнаружить эти частицы в своей экспериментальной установке. Однако метод основан на колебательных электрических полях, создаваемых этими частицами. В областях со значительной плотностью темной материи аксионы и ALPs могут подвергаться когерентным колебаниям. Эти когерентные колебания могут приводить к появлению обнаруживаемых сигналов, таких как колебательные электрические поля, измерить которые призван предлагаемый эксперимент GALILEO.
|
|
|
|
"Легкие кандидаты в темную материю ведут себя как волны в окрестностях Солнца. Предсказывается, что такие волны темной материи индуцируют очень слабые колебательные электрические поля с магнитными полями из-за их крошечных взаимодействий с электромагнетизмом". "Мы сосредоточились на обнаружении электрического поля, а не магнитного, которое является целевым сигналом в большинстве текущих и предлагаемых экспериментов", - объяснил Эбади. Электрические поля, вызванные светом и темной материей, могут быть обнаружены с помощью электрооптических материалов, где внешнее электрическое поле изменяет свойства материала, такие как показатель преломления. GALILEO использует асимметричный интерферометр Майкельсона, устройство, которое может измерять изменения показателя преломления. Одно плечо интерферометра содержит электрооптический материал.
|
|
|
|
Когда зондирующий лазерный луч расщепляется и направляется через два плеча интерферометра, плечо, содержащее электрооптический материал, создает переменный показатель преломления. Это изменение показателя преломления влияет на фазу лазерного луча, в результате чего возникает колебательный сигнал, когда лучи снова объединяются. Измеряя дифференциальную фазовую скорость между двумя плечами интерферометра, GALILEO может определить частоту колебаний, вызванных светом темной материи. Этот колебательный сигнал служит признаком присутствия частиц темной материи. Чувствительность метода может быть повышена за счет включения резонаторов Фабри-Перо (которые увеличивают длину плеча интерферометра, обеспечивая большую точность) и проведения повторных независимых измерений. Исследование основано на прецизионных измерениях с помощью лазерной интерферометрии. Эбади объяснил: "Ярким примером того, как лазерные интерферометры могут использоваться для прецизионных измерений, является наземный детектор гравитационных волн LIGO".
|
|
|
|
"В нашем предложении используются те же технологические достижения, что и в LIGO, такие как полости Фабри-Перо или сжатый свет для подавления квантового шума. Однако, в отличие от LIGO, предлагаемый интерферометр GALILEO представляет собой настольное устройство". Несмотря на то, что работа носит теоретический характер, у исследователей уже есть планы поэтапной реализации экспериментальной программы. Важно отметить, что они хотят определить технические параметры, необходимые для оптимизированной экспериментальной установки, которую они планируют использовать для проведения научных экспериментов по поиску светлой темной материи. Кроме того, Эбади подчеркивает важность использования высокоточных резонаторов Фабри-Перо наряду с электрооптическим материалом внутри резонатора, а также характеризует уровень шума и систематику настройки, которые являются важнейшими аспектами экспериментального процесса. "GALILEO потенциально может стать важным компонентом более масштабной миссии по исследованию обширного теоретически жизнеспособного пространства кандидатов в темную материю", - заключил Эбади.
|
|
|
|
Источник
|
