Американські фізики описали спосіб детектування частинок темної матерії за допомогою масиву з великого числа (близько мільярда) маленьких маятників з масою від декількох міліграм. За задумом вчених, якщо охолодити і ізолювати від випромінювання такий набір маятників, то з їх колективного відхилення можна побачити траєкторію польоту темної частинки і зареєструвати факт її присутності в системі. Дослідники запропонували методи боротьби з квантовими шумами і показали, що таким чином можна детектувати частинки темної матерії з масою близько десятків мікрограм і більше. Стаття опублікована в журналі
Темна матерія - це гіпотетична форма матерії, яка проявляє себе тільки в гравітаційній взаємодії. Це означає і те, що вона не бере участі в електромагнітній взаємодії, а значить не випромінює, через що її не можна зафіксувати безпосередньо (тому темна матерія і отримала таку назву). Однак є безліч непрямих доказів існування цієї форми матерії: до них належать аномально високі швидкості обертання периферичних областей галактик, гравітаційне лінзування та інші ефекти, які пояснюються існуванням у всесвіті якоїсь прихованої маси.
Темної матерії немає місця в загальноприйнятих моделях, що описують різноманіття частинок і взаємодій в нашому світі, в тому числі в Стандартній моделі, що вказує на її неповноту. Але щоб підтвердити або спростувати нові теорії, які намагаються пояснити існування цього прихованого типу матерії, фізикам необхідно отримати уявлення про її властивості, в першу чергу про масу темних частинок. Тому так важливо пряме експериментальне виявлення темної матерії: воно дозволило б не тільки підтвердити її існування, але і допомогти зрозуміти її природу.
Зараз пошук темних частинок здійснюється в масовому діапазоні від декількох кілоелектронвольт до сотень гігаелектронвольт, почасти, тому що в схожому діапазоні знаходяться і маси відомих нам елементарних частинок і адронів. Наприклад, в цьому напрямку працює один з найбільш чутливих детекторів темної матерії XENON1T, який нещодавно зареєстрував надлишок подій з частинками масою порядку декількох кілоелектронвольт. Принципово інший підхід у експериментів з пошуку темних бозонів у взаємодії нейтронів і електронів за енергетичними рівнями різних ізотопів одного атома: в них також знаходять сліди темних частинок з масою порядку десятків мегаелектронвольт. Однак раніше не проводилися спроби безпосередньо зареєструвати дуже важку частинку темної матерії, маса якої дозволила б фізикам побачити наслідки її гравітаційної взаємодії з навколишньою матерією.
Тепер же Деніел Карні (Daniel Carney) з університету Меріленд запропонував детектувати частинки темної матерії з масою більше маси Планка (22 мікрограма або 1,22 1019 гігаелектронвольт у раціональній системі одиниць) за допомогою масиву маленьких маятників. Як показали розрахунки Карні і його колег, для ефективного детектування частинок темної матерії маса вантажу маятника може варіюватися в діапазоні між мікрограмами і грамами, а число маятників у детекторі має бути близько мільярда. Проходження важкої темної частинки через таку систему рівномірно розставлених маятників у тривимірній порожнині детектора має привести їх у корельований рух, який можна виділити із загального шуму та фону. За величиною відхилення маятника можна також судити і про масу детектованої частинки.
Складність таких вимірювань полягає у вкрай малому відхиленні маятників, порівнянним з квантовим шумом, а також характерний час взаємодії: при середній швидкості темної частинки в 220 кілометрів на секунду характерний час взаємодії не перевищує 10-8 секунди. Тому в такій системі особливо важливу роль відіграє система придушення шуму, пов'язаного з квантовими коливаннями, фоновими подіями та іншими «помилками» реєстрації.
Методи придушення подібного шуму автори перевірили при моделюванні подібної системи маятників. Вони показали, що поєднанням радіаційного захисту і зниження температури аж до 10 мілікельвін разом з підбором маси вантажів маятників і відстані між ними можна домогтися реєстрації до декількох десятків подій на рік. З шумом, який незмінно залишається навіть після оптимізації детектора, фізики пропонують боротися за рахунок системи фільтрації на основі довільності даного шуму: на відміну від коливань, народжених через проходження темної частинки, шум повинен бути некорельованим. Також вони оцінили потенційний внесок корельованого шуму і оцінили складність алгоритмів, які можуть бути застосовані в майбутніх експериментах: вченим вдалося показати, що вимірювання достатньо знімати з N2 маятників (у разі якщо N3 - їх загальне число).
Автори також відзначають схожість виникаючих в такій системі маятників квантових шумів з тими, з якими успішно борються на детекторі гравітаційних хвиль aLIGO, посилаючись на успіх останнього незважаючи на надзвичайну складність проведених на експерименті вимірювань. Вчені говорять і про область застосовності подібного детектора в рамках сучасних уявлень про темну матерію: при такій масі темна частинка напевно не буде елементарною і може являти собою темне ядро або зв'язаний згусток темних кварків. Однак при підвищенні числа маятників у детекторі є ймовірність, що в зону його чутливості потраплять і важкі елементарні частинки темної матерії в рамках потенційної теорії Великого об'єднання.
Масу темних частинок намагаються обмежити виходячи не тільки з теоретичних передбачень, але і з експериментальних даних: раніше фізики виключили легкі аксіони з масою близько 10-21 електронвольт з числа кандидатів на темну матерію. Про теоретичні моделі темної матерії можна дізнатися в нашому тесті «Яка ти темна матерія?».