|
Темная материя и путь к разгадке тайн Вселенной
|
|
|
|
Исследователи под руководством Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработали прорывную методику, которая может заложить основы для обнаружения "темной материи" во Вселенной и приблизить ученых еще больше к раскрытию тайн космоса.
|
|
|
|
То, что мы можем видеть на Земле и в космосе — видимая материя, такая как камни и звезды, — составляет лишь малую часть Вселенной, поскольку ученые полагают, что 85% вещества в космосе состоит из невидимой темной материи. Считается, что это таинственное вещество является невидимым клеем, удерживающим галактики вместе. Его обнаружение могло бы помочь нам понять космические явления, которые нельзя объяснить исключительно материей, которую мы видим.
|
|
|
|
Но доказать существование темной материи - задача из ряда вон выходящая. Как следует из названия, dark matter - это "темная материя", то есть обычно она не излучает и не отражает свет, не несет электрического заряда и крайне слабо взаимодействует с обычной материей, что делает ее необнаружимой с помощью обычных научных приборов.
|
|
|
|
Темная материя, вероятно, состоит из частиц, и среди гипотетических частиц, предложенных для ее описания, ведущим кандидатом является аксион.
|
|
|
|
|
|
|
Ученые потратили четыре десятилетия на поиски аксионов. Один из подходов направлен на то, чтобы экспериментально доказать, что существующие в природе частицы, такие как электроны или легкие частицы, могут вести себя подобно теоретическим аксионам. Если ученые смогут наблюдать такое поведение, это повысит вероятность того, что аксионы могут быть реальными. Полученные результаты могут послужить отправной точкой для разработки метода обнаружения реальных аксионов.
|
|
|
|
Несмотря на то, что поиск аксионов был близок к завершению, результаты остаются неубедительными. Но ученые из Национального университета Сингапура (NTU Singapore) подтвердили, что существующие в природе частицы действительно могут действовать как аксионы.
|
|
|
|
Эксперименты исследователей показали, что когда легкие частицы, также называемые фотонами, перемещаются внутри специальных кристаллических структур, которые они разработали, фотоны движутся подобно теоретическим аксионам.
|
|
|
|
"Результаты, полученные с помощью наших новых кристаллических структур, дают нам больше уверенности в том, что однажды мы сможем использовать кристаллы для обнаружения реальных аксионов", - сказал профессор Чжан Бэйл (Zhang Baile) из Школы физико-математических наук (SPMS) НТУ, возглавлявший исследователей.
|
|
|
|
- А поскольку аксионы являются многообещающими кандидатами на роль темной материи, наши исследования могут заложить основу для разгадки некоторых из величайших тайн Вселенной".
|
|
|
|
Освещая тьму
|
|
|
|
Термин "темная материя", введенный в обиход в 1930-х годах, относится к невидимому клею, который, согласно гипотезе, предотвращает распад вращающихся галактик, поскольку видимой материи недостаточно, чтобы объяснить гравитационные силы, удерживающие их вместе. Таким образом, темная материя может быть основой, лежащей в основе Вселенной, что объясняет, как формируются и эволюционируют галактики.
|
|
|
|
Аксион является основной теоретической частицей, которая, как предполагается, образует темную материю. Его историю можно проследить до физиков Роберто Печчеи и Хелен Куинн, которые в 1977 году предложили концепцию решения головоломки физики элементарных частиц. Позже, в 1978 году, физики Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг независимо друг от друга пришли к выводу, что эта концепция предполагает существование новой частицы. Вильчек назвал эту частицу аксионом в честь марки стирального порошка, поскольку она "устранила" теоретический беспорядок в физике.
|
|
|
|
Считается, что аксионы возникли в результате внезапного расширения Вселенной после того, как она была создана в результате космического события, называемого Большим взрывом. Если аксионы являются основными компонентами темной материи, их было бы очень трудно обнаружить.
|
|
|
|
Тем не менее, теория предсказывает, что реальные аксионы могут превращаться в фотоны в мощном магнитном поле в 10 Тесла, которое в 10 раз сильнее, чем промышленный электромагнит, используемый для подъема автомобилей на свалках металлолома.
|
|
|
|
Когда аксионы преобразуются в фотоны, частицы света можно обнаружить с помощью традиционного оборудования, чтобы показать, что аксионы существуют. Однако ожидается, что преобразование будет крайне неэффективным, поэтому сигналы от преобразованных фотонов будут слабыми и легко маскируются другими сигналами. До сих пор попытки измерить сигналы преобразованных фотонов не увенчались успехом.
|
|
|
|
Ученые также пытались применить другой подход к обнаружению аксионов: показать, что существующие в природе частицы, такие как электроны и фотоны, могут имитировать поведение аксионов, а затем использовать полученную информацию для разработки метода обнаружения реальных аксионов.
|
|
|
|
Исследователи традиционно пытались доказать, что электроны могут действовать подобно аксионам. Но предыдущие исследования показали, что электроны движутся подобно аксионам только в двух измерениях — например, по горизонтали и вертикали, — что недостаточно, поскольку аксионы движутся и существуют в трех измерениях.
|
|
|
|
Профессор Чжан из NTU привел свою команду к решению этой проблемы, обратившись к фотонам. Ранее его команда работала над слоистыми кристаллическими структурами с магнитными свойствами, которые могут изменять способ перемещения легких частиц и их поведение в них. Ученые пытались использовать эти кристаллы для моделирования экзотических частиц, которые трудно найти в природе. Но в процессе работы ученые поняли, что, возможно, они обнаружили следы неуловимых аксионов.
|
|
|
|
Рассматривая также прошлые теоретические работы, связывающие аксионы с магнитными полями, ориентированными в противоположных направлениях, исследователи предположили, что фотоны внутри кристалла могут вести себя подобно аксионам, если слои кристалла обладают переменными магнитными свойствами.
|
|
|
|
Гипотеза была подтверждена в ходе экспериментов, проведенных командой профессора Чжана в сотрудничестве с профессором Чонг Идуном, также из SPMS, и другими учеными.
|
|
|
|
В своем исследовании ученые использовали тщательно разработанные кристаллические геометрические структуры, изготовленные из искусственного кристалла граната, называемого иттриево-железным гранатом. Этот материал обладает уникальными магнитными и оптическими свойствами и используется в микроволновых устройствах, радиолокационных и телекоммуникационных системах.
|
|
|
|
В своих экспериментах команда ученых обнаружила, что фотоны перемещаются в одном направлении по трехмерным краям структуры кристалла - например, перемещаются горизонтально, вертикально и вбок — без таких проблем, как рассеяние в обратном направлении. Такое поведение фотонов в кристалле также предсказывается теорией для аксионов.
|
|
|
|
Чтобы в будущем обнаружить реальные аксионы, ученые могли бы попытаться оптимизировать конструкцию кристаллов и использовать их в экспериментах по обнаружению фотонов, преобразованных из аксионов в экстремальных условиях, таких как сильные магнитные поля. Однако для достижения этой цели потребуются значительные усилия и ресурсы. Команда считает, что их кристаллические структуры могут усиливать слабые сигналы фотонов, преобразованных в аксионы, но для подтверждения этого необходимы дополнительные исследования.
|
|
|
|
Профессор Яннис Семертзидис (Yannis Semertzidis) из Корейского передового института науки и технологий в Южной Корее, который не принимал участия в исследовании, проведенном под руководством NTU, сказал, что аксионы являются идеальным, ведущим кандидатом на роль темной материи и, вероятно, вносят значительный вклад в ее формирование.
|
|
|
|
Профессор Семерцидис, который занимается исследованиями аксионов, сказал, что исследование, проведенное под руководством NTU, является крупным прорывом, и что кристаллические структуры, использованные в исследовании, создают основу для "многообещающей альтернативы" существующим методам поиска аксионов. Он отметил, что кристаллические структуры обладают внутренними магнитными полями, которые "идеально подходят для обнаружения аксионов".
|
|
|
|
"Ожидается, что в ближайшем будущем эти кристаллические структуры станут практическим инструментом для поиска аксионной темной материи", - добавил профессор Семерцидис.
|
|
|
|
Источник
|
