Физики хотят найти темную материю с помощью квантового «космического радио»
Поиски темной материи уже вскоре могут закончиться успехом — по крайней мере, в этом уверена международная команда исследователей во главе с Цю Цзяньсянем. Она разработала особую квазичастицу, которая могла бы входить в резонанс с частицами невидимой материи. Детектор, основанный на данном принципе, сможет улавливать эманации от гигантских гало вокруг галактик, как радиоприемник ловит миллиметровые волны. Правда, есть одно условие: для этого темная материя должна состоять из аксионов.
Природа темной материи, к которой, судя по всему, относится более 85% вещества во Вселенной, будоражит умы астрономов уже не первое поколение. Ее поиски раз за разом оканчиваются полной неудачей. Многие ученые высказывают обоснованный скепсис и предлагают альтернативные модели, которые могут объяснить устройство нашего Универсума без привлечения подобных сущностей (пример — новейшая гипотеза «исчезающих сингулярностей»). Но коллектив из нескольких десятков физиков убежден, что вскоре ситуация изменится самым коренным образом.
В своем исследовании они исходили из посылки об аксионной природе темной материи — которая в настоящий момент имеет наибольшее число сторонников. Впервые о существовании этих частиц — чрезвычайно легких и слабо взаимодействующих — заговорили в 1980-х годах, но только в 2010-х появились инструменты с подходящим уровнем чувствительности для их обнаружения. Тем не менее, ни один аксион до сих пор не найден — несмотря на неоднократные попытки.
Поэтому Цзяньсянь и его коллеги решили пойти другим путем. Они создали своего рода «искусственный аксион» — так называемую квазичастицу. Впервые идею использования квазичастиц предложил Лев Ландау во время своих знаменитых исследований сверхпроводимости. Это принцип квантовой механики, позволяющий упрощенно описать поведение группы частиц так, как если бы они были единым целым (и с похожими свойствами). Прибегнув к нему, команда сконструировала «манекен» аксиона из теллуридов марганца и висмута. И здесь начинается настоящая магия.
А именно: такая квазичастица способна передавать в космос колебания, соответствующие частоте реальных аксионов (если они существуют), пусть и с определенной погрешностью. Остается создать на основе этой квазичастицы детектор, и с темной материей можно будет войти в резонанс — тем самым совершив открытие века. Авторы статьи считают, что с наибольшей долей вероятности это удастся сделать в терагерцевом диапазоне.
«Если нам повезет, и природа поместит аксион на нашу частоту — то мы его найдем! Разумеется, это довольно широкий диапазон, но он тоже конечен. К тому же у нас есть идеи, как организовать поиск аксионов и в других диапазонах», — отметил один из участников исследования, астрофизик Дэвид Марш из Королевского колледжа Лондона.
По оценкам команды, если создание такого детектора стартует прямо сейчас — то к 2030 году оно уже может быть окончено. После чего потребуется три года на первый эксперимент. Разумеется, даже если все посылки верны и темная материя действительно состоит из аксионов (а не, к примеру, из WIMP-ов или миниатюрных черных дыр), возможны самые разнообразные задержки и сложности. Но Марш, Цзяньсянь и их коллеги уверены: если данный путь окажется верным — то в течение 15 лет загадка темной материи должна быть разрешена.
