|
Как расширить поиски темной материи
|
|
|
|
Темная материя составляет 85% всей материи во Вселенной, но ученые до сих пор не знают, из чего она состоит. В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters исследователями из Университета Райса, предлагается конструкция детектора, которая может помочь в поиске аксионов — гипотетических частиц, которые, по мнению многих физиков, могут составлять темную материю.
|
|
|
|
Предложенный детектор будет основан на классе полупроводниковых материалов, отклик которых изменяется при изменении их ориентации в магнитном поле. Этот отклик материала упрощает настройку детектора, позволяя исследователям изучать диапазон масс аксионов, которые до сих пор было трудно исследовать с помощью существующих технологий.
|
|
|
|
«Мы предлагаем хорошо изученный материал из физики конденсированных сред для нового применения — обнаружения аксионов», — сказала Джаанита Мехрани, аспирантка программы прикладной физики в Университете Райса и первый автор исследования. «Отличие этого материала в том, что ему не нужно использовать сложные механические механизмы настройки, он просто настраивается с помощью магнитного поля».
|
|
|
|
Темную материю нельзя наблюдать напрямую, потому что она очень слабо взаимодействует с обычной материей. Ученые делают выводы о ее существовании на основе ее гравитационного воздействия на галактики и эволюции Вселенной. Однако теория предсказывает, что аксионы могут превращаться в частицы света, или фотоны, при воздействии сильного магнитного поля.
|
|
|
|
|
|
|
Детектор, называемый полупроводниковым квантово-ямочным аксионным радиометром (SQWARE), предназначен для того, чтобы помочь аксионам превращаться в фотоны. Для этого SQWARE использует стопки сверхтонких полупроводниковых слоев, называемых множественными квантовыми ямами, которые захватывают электроны в плоские двумерные листы.
|
|
|
|
При таком ограничении электроны ведут себя как плазма, изменяя движение света в материале.
|
|
|
|
«Происходит следующее: эта плазма придает фотонам эффективную массу, что способствует сохранению импульса между аксионом и фотоном, поскольку в вакууме аксионы имеют массу, а фотоны — нет», — сказал Мехрани. «Мы пытаемся устранить это несоответствие импульсов и резонансно преобразовать аксионы в фотоны, усиливая фотонный сигнал, чтобы мы могли легче обнаруживать темную материю».
|
|
От теории к лабораторным испытаниям
|
|
|
|
Хотя исследование носит теоретический характер, исследователи разработали конструкцию с учетом практических ограничений. Они оценили, можно ли изготовить предлагаемые полупроводниковые структуры с использованием существующих или перспективных технологий, и оценили, как детектор будет работать в реалистичных экспериментальных условиях.
|
|
|
|
Следующий шаг — определить, будут ли материалы работать так, как ожидается, в лабораторных условиях. В настоящее время команда занимается характеризацией полупроводниковых структур-кандидатов и разработкой прототипов устройств для экспериментальной проверки концепции.
|
|
|
|
«Достижения в области полупроводниковых материалов открыли возможности, выходящие далеко за рамки их первоначального применения», — сказал Шэнси Хуан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии в Университете Райса и один из соавторов исследования.
|
|
|
|
«Эта работа исследует, можно ли адаптировать те же материалы для решения одного из центральных вопросов физики элементарных частиц и космологии».
|
|
|
|
Дзюнитиро Коно, профессор инженерных наук имени Карла Ф. Хассельмана в Университете Райса, профессор электротехники и вычислительной техники, физики и астрономии, а также материаловедения и наноинженерии, и директор Института Смалли-Кёрла, также является соавтором данного исследования.
|
|
|
|
Источник
|
