Исследователи раскрывают новые тайны темной материи с помощью лазеров и атомных часов
Ученые из Университета Квинсленда (UQ) использовали лазеры и атомные часы, разделенные в пространстве и времени, чтобы получить новые данные о природе темной материи — загадочной субстанции, которая, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной.
Ранее исследователям удавалось лишь косвенно наблюдать влияние этой невидимой материи. Однако в новом эксперименте ученые смогли зафиксировать волновое поведение темной материи, что открывает новые возможности для изучения ее свойств.
Как лазеры и атомные часы проливают свет на темную материю
Согласно общепринятой космологической модели Lambda-CDM, Вселенная состоит на 5% из обычной материи, на 26,8% — из темной материи и на 68,2% — из темной энергии, столь же загадочной и неуловимой. Это означает, что около 95% массы и энергии Вселенной приходится на невидимые компоненты, которые невозможно наблюдать напрямую.
Предыдущие исследования, проведенные Университетом Гонконга, предполагали, что темная материя может состоять из сверхлегких частиц, известных как аксионы, а не из гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP). Астрономы предлагали различные методы поиска темной материи, включая изучение магнитных полей звезд, анализ света пульсаров и даже исследование древних геологических формаций.
Однако, несмотря на многочисленные попытки, ученым до сих пор не удавалось напрямую измерить темную материю.
«Несмотря на множество теорий и экспериментов, темная материя остается неуловимой. Мы считаем ее своего рода “клеем”, который удерживает галактики вместе», — пояснила аспирантка UQ Эшли Кэдделл, которая совместно с немецким институтом метрологии Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) возглавила новое исследование.
Кэдделл отметила, что ее команда подошла к проблеме с необычной стороны. Вместо того чтобы искать гравитационные эффекты темной материи, ученые сосредоточились на данных, полученных с помощью сети сверхстабильных лазеров, соединенных оптоволоконными кабелями, а также двух атомных часов, установленных на спутниках GPS.
Поскольку темная материя обладает крайне низкой массой и ведет себя как волна, исследователи использовали атомные часы, разделенные в пространстве и времени. Если бы часы показывали расхождения, это могло бы указывать на присутствие новой формы темной материи.
«Темная материя в данном случае ведет себя как волна из-за своей чрезвычайно низкой массы, — объяснила Кэдделл. — Мы используем разделенные в пространстве и времени атомные часы, чтобы зафиксировать изменения в волне, которые проявляются как различия в показаниях часов или их скорости».
«Этот эффект усиливается, если часы находятся на большем расстоянии друг от друга», — добавила она, подчеркнув преимущество использования спутниковых часов.
Анализ выявил «тонкие эффекты»
После серии экспериментов команда проанализировала собранные данные, чтобы определить наличие следов темной материи. По словам Кэдделл, инновационный метод с использованием лазеров и атомных часов оказался успешным.
«Сравнивая точные измерения на больших расстояниях, мы обнаружили тонкие эффекты колебаний полей темной материи, которые в обычных условиях взаимно компенсировались бы», — пояснили ученые.
Соавтор исследования, физик UQ доктор Бенджамин Робертс, отметил значимость полученных результатов по сравнению с предыдущими попытками. По его словам, новый метод позволяет обнаруживать влияние темной материи на все атомы, что открывает перед учеными новые горизонты для исследований.
«Мы смогли искать сигналы от моделей темной материи, которые взаимодействуют со всеми атомами, что ранее было недоступно для традиционных экспериментов, — сказал Робертс. — Теперь ученые смогут исследовать более широкий спектр сценариев и, возможно, ответить на фундаментальные вопросы о структуре Вселенной».
«Эта работа также подчеркивает важность международного сотрудничества и передовых технологий, таких как атомные часы PTB и экспертиза UQ в области точных измерений и фундаментальной физики», — заключил Робертс.
Исследование под названием «Поиск сверхлегкой темной материи с помощью атомных часов и резонаторов, разделенных в пространстве и времени» было в журнале Physical Review Letters.