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.
Схема експерименту, запропонованого вченими. Kavli IPMU
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.
Залежність щільності сонячного гало від маси частинки темної матерії за різних відстаней зонду від Сонця. Чорною лінією позначено радіус орбіти Землі, червоною — Меркурія, а синьою — відстань в 0,1 астрономічної одиниці від Сонця. Yu-Dai Tsai et al. / Nature Astronomy, 2022
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