Темну матерію запропонували пошукати атомними годинниками в космосі
Команда американських фізиків запропонувала ще один спосіб виявлення темної матерії — за допомогою атомних годинників. Вчені пропонують відправити їх у космос, ближче до Сонця, де прилади зможуть зафіксувати вплив темної матерії на фундаментальні фізичні константи. У своїй роботі науковці пропонують схему роботи подібної системи, а також розрахунки її чутливості до надлегкої темної матерії. Присвячена ідеї стаття опублікована у журналі Nature Astronomy.
Що таке темна матерія?
Відомо, що видимої речовини навколо нас припадає не так багато, порівняно з масою Всесвіту, і більшу частину займає необхідна для пояснення багатьох спостережуваних нами фізичних явищ, як-от гравітаційне лінзування, речовина, що окрім як опосередковано, ніяк себе не проявляє. Цю речовину називають темною матерією. Більше про неї можна почитати у нашому матеріалі «Що таке темна матерія і темна енергія?».
Темна матерія добре вписується у безліч фізичних теорій, однак окрім як теоретичних способів не лише обґрунтувати її існування та можливі його форми, поки жоден з експериментальних методів з виявлення темної матерії не дав надійних результатів. І в своїй новій роботі команда фізиків запропонувала свій експеримент, який би допоміг напряму виявити темну матерію.
До чого тут годинники?
З 1967 року новим стандартом часу є точне вимірювання частоти переходу атомних переходів — основа роботи атомних годинників. Точність таких приладів тільки росте, а з їхньою допомогою фізики уточнюють значення фундаментальних фізичних констант, як-то стала тонкої структури та маса електрона. Атомні годинники не вперше потрапляють в поле зору фізиків як спосіб «впіймати» темну матерію.
Ідея полягає в тому, щоб застати її взаємодію з видимою речовиною, яка проявиться у коливаннях значення фундаментальних констант. Це вплине на енергію атомів в годиннику при переході з одного енергетичного стану в інший. Зафіксувати це можна буде, порівнявши співвідношення частот електромагнітного випромінювання двох приладів, які покладаються на переходи різних атомів, а отже і по різному залежать від фундаментальних констант. Власне таку установку автори цього дослідження і пропонують відправити в космос.
Навіщо відправляти годинники в космос?
Ключовим параметром, який визначає чутливість експерименту, є локальна щільність темної матерії, тобто кількість частинок темної матерії, які можуть потрапити в детектор. І деякі теорії говорять, що в деяких регіонах ця щільність може бути вищою, аніж в інших. Зокрема, у теоріях про легку бозонну темну матерію (ultra-light dark matter, ULDM), яка говорить, що вона складається з бозонів масами у 10^-24 електронвольта.
Моделі говорять, що навколо Сонця щільність такої темної матерії може бути вищою. І аби уникнути обмежень чутливості, які накладаються на наземні прилади, фізики пропонують відправити зонд з атомними годинниками на борту на відстань 0,1 астрономічної одиниці.
Це достатня відстань до Сонця, з якої системі буде достатньо чутливості, аби зареєструвати вплив темної матерії на свою роботу. Крім того, відправлений так близько до Сонця експеримент, може посприяти й іншим дослідженням: наприклад, оцінити гравітаційний червоний зсув.
Вчені надихнулися запущеним NASA на навколоземну орбіту атомним годинником для роботи в космосі (Deep Space Atomic Clock, DSAC), а також успіхами сонячного зонда «Паркер», якому вдалося попрацювати на відстані у приблизно 13 мільйонів кілометрів від нашого світила.
Де ще шукають темну матерію (і не знаходять)
👷Наприклад, у підземних лабораторіях. Щоправда, поки безуспішно. Південнокорейський підземний детектор COSINE-100 так і не повторив успіху італійського DAMA, що не додає результатам останнього надійності
✨Так само і експеримент ANAIS не побачив темну матерію за три роки роботи на глибині 800 метрів під землею