Темную материю предложили детектировать с помощью маятников

Американские физики описали способ детектирования частиц темной материи с помощью массива из большого числа (порядка миллиарда) маленьких маятников с массой от нескольких миллиграмм. По задумке ученых, если охладить и изолировать от излучения такой набор маятников, то по их коллективному отклонению можно увидеть траекторию полета темной частицы и зарегистрировать факт ее присутствия в системе. Исследователи предложили методы борьбы с квантовыми шумами и показали, что таким образом можно детектировать частицы темной материи с массой порядка десятков микрограмм и более. Статья опубликована в журнале Physical Review D.

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая проявляет себя только в гравитационном взаимодействии. Это означает и то, что она не участвует в электромагнитном взаимодействии, а значит не излучает, из-за чего ее нельзя зафиксировать напрямую (поэтому темная материя и получила такое название). Однако есть множество косвенных доказательств существования этой формы материи: к ним относятся аномально высокие скорости вращения периферических областей галактик, гравитационное линзирование и другие эффекты, которые объясняются существованием во вселенной некой скрытой массы.

Темной материи нет места в общепринятых моделях, описывающих многообразие частиц и взаимодействий в нашем мире, в том числе в Стандартной модели, что указывает на ее неполноту. Но чтобы подтвердить или опровергнуть новые теории, которые пытаются объяснить существование этого скрытого типа материи, физикам необходимо получить представление о ее свойствах, в первую очередь о массе темных частиц. Поэтому так важно прямое экспериментальное обнаружение темной материи: оно позволило бы не только подтвердить ее существование, но и помочь понять ее природу.

Сейчас поиск темных частиц осуществляется в массовом диапазоне от нескольких килоэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт, отчасти, потому что в схожем диапазоне находятся и массы известных нам элементарных частиц и адронов. К примеру, в этом направлении работает один из самых чувствительных детекторов темной материи XENON1T, который недавно зарегистрировал избыток событий с частицами массой порядка нескольких килоэлектронвольт. Принципиально другой подход у экспериментов по поиску темных бозонов во взаимодействии нейтронов и электронов по энергетическим уровням различных изотопов одного атома: в них также находят следы темных частиц с массой порядка десятков мегаэлектронвольт. Однако ранее не проводились попытки напрямую зарегистрировать очень тяжелую частицу темной материи, масса которой позволила бы физикам увидеть последствия ее гравитационного взаимодействия с окружающей материей.

Теперь же Дэниэл Карни (Daniel Carney) из университета Мэриленд предложил детектировать частицы темной материи с массой больше массы Планка (22 микрограмма или 1,22 × 10¹⁹ гигаэлектронвольт в рациональной системе единиц) с помощью массива маленьких маятников. Как показали расчеты Карни и его коллег, для эффективного детектирования частиц темной материи масса груза маятника может варьироваться в диапазоне между микрограммами и граммами, а число маятников в детекторе должно быть порядка миллиарда. Прохождение тяжелой темной частицы через такую систему равномерно расставленных маятников в трехмерной полости детектора должно привести их в коррелированное движение, которое можно выделить из общего шума и фона. По величине отклонения маятника можно также судить и о массе детектируемой частицы.

Сложность таких измерений заключается в крайне малом отклонении маятников, сопоставимым с квантовым шумом, а также характерное время взаимодействия: при средней скорости темной частицы в 220 километров в секунду характерное время взаимодействия не превышает 10^-8 секунды. Поэтому в такой системе особо важную роль играет система подавления шума, связанного с квантовыми колебаниями, фоновыми событиями и другими «ошибками» регистрации.

Методы подавления подобного шума авторы проверили при моделировании подобной системы маятников. Они показали, что сочетанием радиационной защиты и понижения температуры вплоть до 10 милликельвин вместе с подбором массы грузов маятников и расстояния между ними можно добиться регистрации до нескольких десятков событий в год. С шумом, который неизменно остается даже после оптимизации детектора, физики предлагают бороться за счет системы фильтрации на основе произвольности данного шума: в отличие от колебаний, рожденных из-за прохождения темной частицы, шум должен быть некоррелированным. Также они оценили потенциальный вклад коррелированного шума и оценили сложность алгоритмов, которые могут быть применены в будущих экспериментах: ученым удалось показать, что измерения достаточно снимать с N² маятников (в случае если N³ — их общее число).

Авторы также отмечают схожесть возникающих в такой системе маятников квантовых шумов с теми, с которыми успешно борются на детекторе гравитационных волн aLIGO, ссылаясь на успех последнего несмотря на чрезвычайную сложность проводимых на эксперименте измерений. Ученые говорят и об области применимости подобного детектора в рамках современных представлений о темной материи: при такой массе темная частица наверняка не будет элементарной и может представлять собой темное ядро или связанный сгусток темных кварков. Однако при повышении числа маятников в детекторе есть вероятность, что в зону его чувствительности попадут и тяжелые элементарные частицы темной материи в рамках потенциальной теории Великого объединения.

Массу темных частиц пытаются ограничить исходя не только из теоретических предсказаний, но и из экспериментальных данных: ранее физики исключили легкие аксионы с массой порядка 10^-21 электронвольт из числа кандидатов на темную материю. Про теоретические модели темной материи можно узнать в нашем тесте «Какая ты темная материя?».

Никита Козырев