Новая охота на темную материю: физики предлагают новый способ исследования природы темной материи с помощью лазеров

Темная материя известна только своим воздействием на массивные астрономические тела, но ее еще предстоит непосредственно наблюдать или даже идентифицировать. Теория о том, что может быть темной материей, предполагает, что это может быть частица, называемая аксионом, и что ее можно обнаружить с помощью уже существующих лазерных экспериментов. Эти лазерные эксперименты являются гравитационно-волновыми обсерваториями.

Охота идет на темную материю. Существует много теорий относительно того, каким образом это может оказаться, но многие физики полагают, что темная материя - это слабо взаимодействующая массивная частица, или WIMP. Это означает, что он не может легко взаимодействовать с обычной материей. Мы знаем, что это правда, потому что это еще не было видно напрямую. Но он также должен иметь хотя бы некоторую массу, поскольку его присутствие может быть выведено из-за его гравитационного притяжения .

Были предприняты огромные усилия по обнаружению темной материи WIMP, в том числе с помощью Большого адронного коллайдера в Швейцарии, но WIMP пока не наблюдалось. Альтернативная потенциальная частица, привлекающая внимание, - это аксион .

«Мы предполагаем, что аксион очень легкий и едва взаимодействует с нашими знакомыми видами материи. Поэтому он считается хорошим кандидатом на темную материю», - сказал доцент Юта Мичимура из физического факультета Токийского университета. «Мы не знаем массу аксионов, но мы обычно думаем, что она имеет массу меньше массы электронов. Наша вселенная заполнена темной материей, и, по оценкам, в Земле находится 500 граммов темной материи, примерно масса белка."

Аксионы кажутся хорошим кандидатом на темную материю, но поскольку они могут очень слабо взаимодействовать с обычной материей , их чрезвычайно трудно обнаружить. Поэтому физики разрабатывают все более сложные способы компенсации этого отсутствия взаимодействия в надежде раскрыть характерную черту темной материи, которая составляет более четверти видимой вселенной.

«Наши модели предполагают, что аксионная темная материя модулирует поляризацию света, которая является ориентацией колебаний электромагнитных волн», - пояснил Коджи Нагано, аспирант Института исследований космических лучей Токийского университета. «Эта поляризационная модуляция может быть усилена, если свет многократно отражается взад и вперед в оптическом резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал друг от друга. Наиболее известными примерами таких полостей являются длинные туннельные плечи гравитационно-волновой волны. обсерваторий «.

Исследования темной материи не получают столько внимания и финансирования, как другие более применимые области научных исследований, поэтому прилагаются большие усилия, чтобы найти способы сделать охоту рентабельной. Это актуально, так как другие теоретические способы наблюдения аксионов связаны с чрезвычайно сильными магнитными полями, что влечет за собой большие расходы. Здесь исследователи предполагают, что существующие обсерватории гравитационных волн, такие как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) в США, Дева в Италии или KAGRA в Японии, могут быть дешево модифицированы для охоты на аксионы без ущерба для их существующих функций.

«С нашей новой схемой мы могли бы искать аксионы, добавив поляризационную оптику перед фотодиодными датчиками в детекторах гравитационных волн», - рассказывает Михимура. «Следующим шагом, который я хотел бы видеть, является внедрение оптики для детектора гравитационных волн, такого как KAGRA».

Эта идея имеет многообещающее значение, поскольку модернизация оборудования для гравитационных волн не приведет к снижению чувствительности, на которую они полагаются в своей основной функции - обнаружении далеких гравитационных волн. Были предприняты попытки с помощью экспериментов и наблюдений найти аксион, но до сих пор не было найдено положительного сигнала. Предложенный исследователями метод был бы гораздо более точным.

«Существует огромное количество астрофизических и космологических доказательств того, что темная материя существует, но вопрос« Что такое темная материя? »Является одной из самых больших выдающихся проблем в современной физике», - сказал Нагано. «Если мы сможем обнаружить аксионы и точно сказать, что они являются темной материей , это было бы действительно захватывающим событием. Именно об этом мечтают такие физики, как мы».

Источник: https://phys.org/news/2019-09-dark-physicists-theorize-explore-nature.html