Темні фотони: фізики досягли важливих результатів під час пошуку частинок невловимої матерії

Поки що астрономи і фізики не виявили безпосередньо темну матерію, яка значно перевершує за кількістю звичайну матерію і впливає на рух зірок і галактик. Нещодавно фізики Національної прискорювальної лабораторії імені Фермі розпочали пошук надлегких частинок темної матерії, включно з темними фотонами та аксіонами, які можуть мати значно меншу масу, ніж припускається. Хоча початкові експерименти не виявили темних фотонів у заданому діапазоні частот, фізики планують дослідити ширший діапазон мас, продовжуючи пошук невловимих частинок темної матерії, пише Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Невловима темна матерія

Учені вважають, що рухом зірок і галактик керує невловима темна матерія, якої приблизно в 6 разів більше, ніж звичайної матерії. Але прямих доказів її існування поки що не виявлено. Останніми роками деякі фізики дотримуються ідеї, що темна матерія складається зі стабільних частинок із масою десь між масою протона і в кілька тисяч разів більшою. Але група фізиків з Національної прискорювальної лабораторії імені Фермі досліджувала зовсім інший діапазон мас. Ці вчені шукали частинки темної матерії, які в трильйони або навіть квадрильйони разів легші.

Темні фотони й аксіони

Фізики продовжують пошуки надлегких частинок темної матерії, зокрема темні фотони й аксіони, які ще ніколи не спостерігалися. Вважають, що темні фотони можуть взаємодіяти з частинками темної матерії так само, як звичайні фотони взаємодіють зі звичайною матерією. Якщо вони існують, то фотони темної матерії не взаємодіяли б безпосередньо зі звичайною матерією, так само, як звичайні фотони не взаємодіють із темною матерією. Але згідно з квантовою механікою, темні фотони можуть перетворитися на звичайні фотони, хоча це відбувається дуже рідко.

Що стосується аксіонів, то тут інша історія. У прийнятій теорії квантового світу слабка взаємодія абсолютно по-різному взаємодіє з матерією та антиматерією. Немає причин припускати, що сильна взаємодія не може також по-різному ставитися до матерії та антиматерії. Експериментальні дані переконливо показують, що немає асиметрії в тому, як сильна взаємодія діє на матерію й антиматерію. Як пояснення цього було запропоновано аксіонну теорію. Для розуміння, сильна взаємодія утримує разом ядра атомів, а слабка взаємодія викликає деякі форми радіоактивності.

Новий метод виявлення невловимих частинок заснований на аксіонах, які взаємодіють з металевою стінкою детектора і випромінюють звичайні фотони. Коли звичайні фотони будуть створені, їх можна буде виявити. Ці фотони не обов'язково являють собою видиме світло, але можуть мати будь-яку частоту електромагнітного спектра.

Отримані результати

Фізики нещодавно повідомили про перші результати пошуку темних фотонів шляхом пошуку певного класу мікрохвиль. Вчені створили чутливий детектор радіохвиль і використовували його для сканування діапазону від 10,7 до 12,5 ГГц. Якби темні фотони перетворювалися на звичайні фотони в цьому діапазоні частот, фізики побачили б стрибок сигналу на певній частоті.

Ніякого сигналу не спостерігалося, але вченим вдалося встановити межу існування темних фотонів у діапазоні мас від 44 до 52 мікроелектронвольт, що набагато нижче діапазону традиційних пошуків темної матерії.

Як уже писав Фокус, NASA планує використовувати Сонце як гравітаційну лінзу, щоб побачити поверхні інших далеких світів. Цей метод спостереження заснований на прогнозах теорії відносності Ейнштейна і вже використовується з іншими масивними об'єктами для спостережень за "невидимим" космосом.