[Перевод] Начата разработка нового настольного эксперимента по поиску тёмной материи
Астрономы получают новый инструмент, который поможет им в поисках тёмной материи. Это рендер конструкции BREAD, что расшифровывается как Broadband Reflector Experiment for Axion Detection. Устройство в форме раструба направляет потенциальные сигналы тёмной материи на детектор медного цвета слева. Детектор достаточно компактен, чтобы поместиться на столе. Изображение любезно предоставлено коллаборацией BREAD
Что такое тёмная материя? Мы не знаем. На данном этапе игры учёные заняты тем, что пытаются обнаружить её и составить карту её присутствия и распределения во Вселенной. Обычно для этого используются высокотехнологичные и сложные телескопы. Но новый подход предполагает использование настолько маленького устройства, что его можно разместить на кухонном столе.
Сотрудничество Чикагского университета и Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми привело к созданию настольного устройства под названием Broadband Reflector Experiment for Axion Detection или BREAD. BREAD создан для обнаружения тёмной материи, и его первые результаты уже представлены в новой статье.
Статья называется «Первые результаты широкополосного поиска тёмных фотонов тёмной материи в диапазоне 44–52 мкэВ с помощью коаксиальной антенны-тарелки». Она опубликована в журнале Physical Review Letters, а её ведущим автором является Стефан Книрк. Книрк — постдокторант Фермилаба, который руководил созданием детектора.
Слово «загадочный» будет слишком слабым для описания тёмной материи. Она составляет около 85% материи во Вселенной. Её нельзя увидеть, но о её присутствии можно догадаться из наблюдений. Её масса удерживает галактики вместе; без неё они бы разлетелись на части.
Тёмную материю иногда называют основой Вселенной или строительными лесами, на которых держится обычная материя. Моделирование, например TNG Illustris, показало, как тёмная материя распределена по Вселенной в виде сети нитей и сгустков. Распределение скоплений галактик происходит по той же схеме.
TNG 50, TNG 100 и TNG 300 моделируют все более крупные участки Вселенной, показывая, как тёмная материя распределена по Вселенной.
Физики до сих пор не знают, что такое тёмная материя. Но она существует, и на её роль есть несколько кандидатов.
«Мы вполне уверены, что она существует, но есть много-много форм, которые она может принимать», — говорит доцент Чикагского университета Дэвид Миллер. Миллер — один из руководителей эксперимента BREAD.
Один из кандидатов на её роль — гипотетический тип частиц, аксионы. Если они реальны и их масса попадает в определённые пределы, то они могут быть одним из компонентов тёмной материи.
Эксперимент BREAD сосредоточен на диапазоне масс 10,7–12,5 ГГц. В этом диапазоне он ищет тёмные фотоны тёмной материи. Наряду с аксионами, они являются одним из наиболее перспективных кандидатов в тёмную материю. Тёмные фотоны — это гипотетический тип частиц, которые, по мнению физиков, могут выступать в качестве переносчиков взаимодействий для тёмной материи, подобно тому как фотоны являются переносчиками взаимодействий для электромагнетизма. При поисках тёмной материи аксионы и тёмные фотоны ищут совместно, но подробное объяснение их природы выходит за рамки этой статьи.
Первый раз BREAD работал 24 дня подряд и ничего не обнаружил; если бы обнаружил, это было бы огромной новостью, и мы бы все об этом узнали. Но поскольку цель эксперимента BREAD очень узкая, отсутствие положительного результата всё равно было конструктивным.
«Мы очень рады тому, что нам удалось сделать на данный момент», — говорит Миллер, — «У этой конструкции есть масса практических преимуществ, и мы уже продемонстрировали лучшую на сегодняшний день чувствительность в диапазоне 11–12 гигагерц».
Каждый кандидат в тёмную материю необходимо искать особым образом. Физики строят детекторы, нацеленные на конкретных кандидатов. BREAD работает немного по-другому. Как видно из его названия, это широкополосный детектор. Он может искать в диапазоне частот, но при этом страдает его точность.
«Если представить себе, что эксперимент похож на работу с радиоприёмником, то поиск тёмной материи напоминает прокручивание ручки настройки в поисках одной конкретной радиостанции. Разница состоит в том, что проверить нужно миллион разных частот», — говорит Миллер. «Наш метод похож на сканирование 100 000 радиостанций, а не нескольких, причём очень скрупулёзное».
Эта версия BREAD является уменьшенной версией будущей полномасштабной версии. В конечном итоге BREAD расположат внутри магнита. Магнитное поле повысит вероятность того, что частицы тёмной материи будут преобразованы в фотоны, которые можно будет обнаружить. Этот первый 24-дневный запуск был доказательством работоспособности концепции.
Стефан Книрк из Фермилаб с компонентами детектора BREAD. В конечном итоге BREAD будет помещён внутрь магнита, чтобы увеличить вероятность того, что тёмные фотоны превратятся в обычные фотоны.
Несмотря на то, что первый пробный запуск не обнаружил никакой тёмной материи, его результаты всё равно оказались полезными. Запуск показал, что BREAD очень чувствителен в своём частотном диапазоне. Исследователи считают, что смогут улучшить чувствительность ещё больше.
«Это только первый шаг в серии интересных экспериментов, которые мы планируем», — сказал Эндрю Зонненшайн из Фермилаб, который изначально разработал концепцию BREAD. «У нас есть много идей по улучшению чувствительности поиска аксионов».
Эта схема из исследования помогает объяснить принцип работы BREAD. Тёмные фотоны преобразуются в фотоны, излучаемые перпендикулярно цилиндру. Сигнал фокусируется на коаксиальной рупорной антенне, усиливается с помощью малошумящей цепи приёмника (справа), преобразуется вниз и оцифровывается с помощью специализированной широкополосной системы сбора данных на основе полевой программируемой вентильной матрицы (внизу) в режиме реального времени.
Тёмная материя и её состав — один из самых запутанных вопросов в науке. Для Миллера BREAD — это не просто очередной научный эксперимент. Он говорит о творческом подходе, необходимом для тщательного изучения тёмной материи, и о том, как исследователи из разных институтов могут работать вместе, чтобы добиться прогресса.
«В науке ещё так много открытых вопросов и огромное пространство для новых творческих идей по их решению», — говорит Миллер. «Я думаю, что это действительно яркий пример таких творческих идей — в данном случае, эффективных совместных партнёрств между менее масштабной наукой в университетах и более масштабной наукой в национальных лабораториях».
