На иллюстрации: Галактика, окруженная гало темной материи в свободном представлении художника. ESO / L Calçada. Многие дискуссии о реальной природе темной материи, ее свойствах и составе напоминают бесконечные преамбулы. Несмотря на то, что ее реальное существование находит свое подтверждение прямыми наблюдениями, и она составляет подавляющую часть массы всей Вселенной, ее природа остается загадкой. Ввиду отсутствия взаимодействия с обычным веществом, темную материю можно было бы назвать не “темной”, а “прозрачной”. Ранее на Хабре уже обсуждались гипотезы о WIMP-частицах (слабо взаимодействующих массивных частицах). Однако в начале 2010-х годов появились новые теории, которые к началу 2020-х годов получили развитие и превратились в полноценные научные исследования. Эти исследования предполагают, что темная материя может быть “составной”, то есть состоять не из отдельных частиц, а из “темных атомов” или даже структур, аналогичных физическим телам.
В дальнейшем мы рассмотрим эти разработки, многие из которых связаны с командой российских космологов под руководством Максима Юрьевича Хлопова.
Сначала необходимо проанализировать причины кризиса, который переживали существующие теории темной материи к началу 2020-х годов.
Итак, большая часть Вселенной остаётся для нас совершенно незамеченной. Известные нам 100+ видов атомов (химические элементы) слагают звёзды, планеты и межзвёздный газ, в более широком представлении — галактики и крупномасштабные структуры Вселенной. Тем не менее, насколько мы представляем природу тяготения, оказывать гравитационное воздействие может энергия или материя, обладающая массой, а наблюдаемой материи совершенно не хватает, чтобы объяснить наблюдаемые гравитационные взаимодействия. Большая часть наблюдаемой материи — это именно звёзды, а звёзды состоят в основном из водорода и гелия, двух самых лёгких и хорошо изученных элементов. Неизвестная материя, не проявляющая себя никак, кроме гравитационного воздействия на окружающие звёзды и галактики, называется тёмной материей. Элементарные частицы, обладающие массой, называются барионами; именно из барионов состоят все известные физические тела, но абсолютное большинство барионов не образуют физических тел, а пребывают в свободном состоянии.
· Видимые звёзды, Прочие барионы, Тёмная материя, Тёмная энергия
О природе тёмной энергии сейчас остаётся только догадываться (хотя в одной из весенних публикаций я указывал, почему она может быть следствием вращения Вселенной), тогда как тёмная материя кажется значительно более предсказуемой и понятной, поскольку действительно ведёт себя как материя. Тёмная материя оказывает на окружающие тела притяжение, а не отталкивание (тёмная энергия оказывает именно антигравитационное воздействие и является двигателем расширения Вселенной). Согласно имеющимся измерениям, тёмная материя воздействует на нетёмную именно так, как если бы состояла, как минимум, из барионов, а возможно — и из атомов. Как неоднократно справедливо указывали, концепция тёмной материи может оказаться фантомом, возникшим из-за нашего неполного понимания гравитации, но пока приходится констатировать, что на тёмную материю приходится порядка 26% от всей массы во Вселенной, и на роль фундаментальной частицы такой материи не подходит ни одна из частиц, входящих в Стандартную модель.
Представляется, что тёмная материя сосредоточена между галактиками, а также, возможно, вблизи галактических ядер. Мы живём в толще Млечного Пути, и в районе Земли тёмной материи очень мало, но она всё-таки должна присутствовать вокруг нас в объёме, составляющем 20-30 атомов водорода на чашку с водой. Тёмная материя постоянно проносится сквозь светлую, совершенно с ней не взаимодействуя, и скорость этого движения оценивается (на основе межгалактических взаимодействий) не менее чем в 200 км/c. Тёмная материя не взаимодействует с фотонами. Поскольку фотон является квантом электромагнитного поля, это значит, что она не только прозрачна, но и непроницаема для электромагнитных взаимодействий. Более того, она нечувствительна и к сильному ядерному взаимодействию, которое удерживает в целости любой атом.
В настоящее время без привлечения тёмной материи невозможно объяснить, как формируются и существуют галактики, даже если допустить, что данная проблема просто не решена, а тёмная материя — просто удобный костыль. Сама проблема формулируется относительно просто.
Галактики — это звёздные острова, удерживаемые от распада силой гравитации. Все звёзды обращаются вокруг центра галактики, и чем быстрее движется звезда по орбите, тем более сильная гравитация требуется, чтобы удержать её на «треке». К началу 1930-х скорость движения звёзд на разном удалении от центра галактики была измерена с достаточной точностью, чтобы прийти к выводу, что массы всего наблюдаемого вещества попросту не хватает, чтобы спиральные галактики сохраняли целостность и наблюдаемую форму.
Эту проблему первым сформулировал в 1933 году швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки, предположивший существование не столько «тёмной», сколько «неучтённой» материи. Он полагал, что такой материей, которая оказывает гравитационное воздействие, но не просвечивается ни в каком электромагнитном спектре, могут быть просто облака разреженного межзвёздного газа (в основном — водорода), которые удастся найти по мере развития телескопов. Но в наше время карта газопылевых туманностей уже составлена в значительных подробностях, и одним лишь остывшим водородом тёмную материю явно объяснить нельзя. Более того, на рубеже 1960-х и 1970-х Вера Рубин и Кент Форд пришли к выводу, что тёмная материя наиболее значительно влияет на межгалактические, а не на внутригалактические процессы, поэтому никак не может быть просто «избыточной массой» какого-то уже известного вещества.
С тех пор на роль тёмной материи предлагались остатки выгоревших звёзд, чёрные дыры и другие объекты, в том числе, значительно более экзотические. В 1991 году на кончике пера были открыты MACHO — массивные компактные объекты (галактического) гало. Об их существовании предположил американский астрофизик Ким Грайст, нарочито противопоставляя эту аббревиатуру («мачо») аббревиатуре WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы). «ВИМПы» (англ. «wimp» — «дохляк») были предложены на роль частиц тёмной материи несколько ранее, их описал в 1986 году Майкл Тёрнер. Тогда как WIMP-частицы до сих пор остаются гипотетическими, MACHO-подобные объекты были обнаружены около 2007 года. Они напоминают остывшие красные карлики с массой около 0,5 солнечной, но их всё равно слишком мало, чтобы они могли существенно влиять на гравитацию так, как влияет тёмная материя.
Тёмные звёзды и атомы профессора Хлопова
До сих пор популярна теория о «скрытых секторах» Галактики, в которых могут располагаться пока не известные фермионы, по свойствам напоминающие WIMP. Тем не менее, поскольку едва ли возможно найти для этих фермионов место в Стандартной Модели, идея скрытых секторов представляется столь же боковой, как и идея MACHO: она может привести к открытию таких секторов и новых состояний вещества, но вряд ли объяснит тёмную материю.
Более разнообразны гипотезы о том, что тёмная материя может состоять не из физических тел, а из частиц-барионов, являющихся зеркальными аналогами уже известных частиц Стандартной Модели и вписывающихся в теорию суперсимметрии. Суперсимметрия предполагает наращивание Стандартной Модели примерно вдвое, и в таком случае на роль частиц-кандидатов могли бы подойти магнитные монополи, аксионы, массивные нейтрино и фотино. Идея о суперсимметричной зеркальной материи ожила после открытия некоторых аномалий в свойствах космических лучей, и, в частности, активизировался поиск нейтралино — суперсимметричного аналога нейтрино. Именно нейтралино могли бы образовываться при аннигиляции WIMP-ов, но пока таких частиц не обнаружено.
В начале 2010-х на фоне развития таких теорий, которые не удалось экспериментально проверить на Большом Адронном Коллайдере, появились гипотезы о «связных состояниях» тёмной материи. Такие частицы напоминали бы атомы и, следовательно, могли бы образовывать макроскопические тела и звёзды. В таком случае допускается существование экзотического вещества (частицы) глюония, состоящего из кварков одного цвета. Если глюоний из обычной материи будет обнаружен (частица-кандидат такого рода была предложена в 2014 году), то станут известны и потенциальные свойства тёмного глюония, с образованием которого должна аннигилировать тёмная материя.
Наиболее заметной разработкой, описывающей «тёмные атомы», представляется теория O-гелия, разрабатываемая с начала 2010-х советско-российско-французским физиком Максимом Юрьевичем Хлоповым и его московскими коллегами Андреем Майоровым и Евгением Солдатовым.
Если тёмная материя существует в форме атомов, это позволяет объяснить, каким образом она сохранилась с зарождения Вселенной до наших дней, а не аннигилировала в глубокой древности. По мысли Хлопова, в первые три минуты после Большого Взрыва гипотетические тёмные частицы с зарядом -2 могли бы сливаться с атомами гелия, образуя атомоподобные единицы, которые как раз невозможно обнаружить современными методами, но наличие которых в ядрах галактик могло бы объяснять, например, фиксируемые выбросы позитронов. Остановимся подробнее на возможных свойствах таких тёмных атомов.
Влияние тёмных атомов на звездообразование
Если бы тёмные атомы существовали, то они позволили бы радикально пересмотреть эволюцию галактик и формирование звёзд — в том смысле, что тела, аналогичные звёздам и острова, аналогичные галактикам, могли бы концентрироваться за пределами обычных галактик. Та небольшая часть тёмной материи, которая оказывалась бы заключена в обычных галактиках, быстро сносилась бы к их центрам и образовывала бы чёрные дыры (в принципе, доподлинно неизвестно, из чего именно сформировались чёрные дыры в центрах галактик).
Причина, по которой тёмные частицы не взаимодействуют с обычной материей, может заключаться в том, что их связывает некое пока не известное фундаментальное взаимодействие, и с тем, что «по ту сторону зеркала» оно заменяет три известных нам силы: электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие, оставаясь в паре с гравитацией.
В целом представление о таких частицах не кажется фантастичным, так как предполагает дополнительную симметрию в устройстве микромира, но не противоречит законам физики. Атомы тёмной материи тем активнее образовывали скопления, если бы не содержали «тёмных нейтронов», а слагались из «тёмных протонов» и «тёмных электронов». В таком случае тёмный аналог таблицы Менделеева мог бы включать всего один или несколько «элементов», пригодных в основном для образования «тёмных звёзд» и тёмного межзвёздного газа (подобно гелию и водороду). Крупномасштабные структуры такого рода напоминали бы «тёмные спиральные галактики», которые, в силу однородности состава, располагали бы к активному звездообразованию и подобию усиленных термоядерных реакций. Поэтому к настоящему времени большинство тёмных звёзд должно было бы выгореть, а их остатки напоминали бы именно MACHO-подобные объекты. В свою очередь, тёмные галактики были бы похожи на обычные как по размеру, так и по форме, но развивались бы быстрее. Возможно, на раннем этапе существования Вселенной тёмные галактики встречались не реже светлых. В апреле 2023 года команда американских и канадских учёных даже подготовила компьютерную модель образования таких звёзд и галактик, не противоречащую описанным здесь закономерностям.
На момент подготовки этой публикации также появилась новость, что учёные из Колгейтского университета и Техасского университета под руководством Космина Илие (Cosmin Ilie) обнаружили в данных телескопа «Джеймс Уэбб» объекты, похожие на аналоги звёздных островов из тёмной материи. Это галактикоподобные объекты JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0, образовавшиеся через 300-400 миллионов лет после Большого Взрыва. Они были источниками тепла, но, по-видимому, известные нам термоядерные реакции в них не протекали. Вероятно, (выгоревшие) тёмные звёзды должны были бы выглядеть именно так.
Тёмная материя — почти волна
Квантовая хромодинамика также допускает, что тёмная материя может состоять из пока неизвестных мельчайших частиц, обладающих массой. Если бы такая частица была в миллиарды раз легче электрона, то, по принципу корпускулярно-волнового дуализма, она также давала бы очень короткую волну, расположенную глубоко за рентгеновским спектром. Из предсказанных к настоящему моменту гипотетических частиц на эту роль мог бы подходить аксион, существование которого постулировали в 1970-е Роберто Печчеи и Хлен Куинн. По мнению физика Линдли Уинслоу из Массачусетского технологического института, если бы тёмная материя состояла бы ровно из одной мельчайшей частицы, то образуемые ею волны были бы когерентны и воспринимались как огромная обладающая массой волна или каскад, пронизывающий Вселенную. Физик Тинь-Тинь Ю из Орегонского университета разделяет эту точку зрения, но полагает, что такой частицей мог бы быть «тёмный фотон», в отличие от обычного обладающий массой. Такие частицы, в особенности, тёмные фотоны, позволили бы объяснить наличие массы без наличия физических тел (здесь вся тёмная масса эквивалентна энергии). Но эксперимент, который позволил бы обнаружить подобные частицы, предполагает, что вблизи звёзд их концентрация должна быть выше и, следовательно, быть измерима. Проект такого эксперимента по обнаружению тёмной материи вблизи от орбиты Меркурия предложили в 2022 году Ю-Дай Цай, Джошуа Иби и Марианна Сафронова из Калифорнийского университета в Ирвайне, Чикагского университета и Института Кавли.
Мы привыкли искать закономерности и строить научный поиск на базе уже известных открытий, но при попытках концептуализировать тёмную материю этот подход явно сбоит. Ещё в 1980-е годы израильский физик Мордехай Мильгром предположил, что законы движения и небесной механики, сформулированные Ньютоном в XVII веке, просто не вполне точны в межгалактических масштабах, а являются приближением, хорошо работающим в масштабах Солнечной системы. В 1983 году он сформулировал теорию «модифицированной ньютоновской динамики», согласно которой, в частности, при малых значениях ускорение нелинейно зависит от создающей его массы, поэтому в межгалактических масштабах возникают погрешности, приписываемые наличию тёмной материи. Сегодня теория Мильгрома не считается опровергнутой, но, по-видимому, не объясняет динамики галактических скоплений и галактических стен. Окончательные ответы о природе тёмной материи могли бы стать ближе, если бы её удалось получить лабораторными способами, но пока явления, объяснимые с привлечением тёмной материи, подтверждают неполноту нашего понимания гравитации, а также подсказывают, что следует продолжать поиски новых элементарных частиц за пределами Стандартной Модели.
Физики предложили искать темную материю с помощью детекторов гравитационных волн
Физики предложили новый метод обнаружения частиц легкой темной материи с помощью детекторов гравитационных волн. Ученые проанализировали данные, собранные немецкой гравитационной обсерваторией GEO600, но не нашли в них сигнала темной материи, установив таким образом более строгие ограничения на интенсивность ее взаимодействия с обычным веществом. Исследование опубликовано в Nature.
В лабораторных экспериментах на Земле до сих пор не удалось зарегистрировать частицы темной материи, но на ее существование указывают астрономические наблюдения. Из них следует, что на долю темной материи приходится около 80 процентов массы всего вещества во Вселенной, а во многих галактиках ее в сотни раз больше, чем барионной материи. Обычно считается, что темная материя состоит из массивных частиц, называемых вимпами (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle), которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях с частицами Стандартной модели. В большинстве моделей масса вимпов лежит в диапазоне от нескольких гигаэлектронвольт до массы Планка (приблизительно 1019 гигаэлектронвольт). Существуют, однако, модели темной материи, в которой масса ее частиц очень мала.
Одной из таких моделей является дилатонная темная материя, частицы которой могут быть возмущениями полей дилатона или модулей, чье существование предсказывает Теория струн. Модели дилатонной темной материи утверждают, что ее частицы рождаются в ранней Вселенной, а в настоящее время представляют собой почти когерентно осциллирующее поле, частота осцилляций которого связана с массой частиц темной материи. Когерентность нарушается локальными возмущениями гравитационного потенциала, которые создают галактики и их скопления, но для темной материи, составляющей обычное галактическое гало, отношение разброса частот к самой частоте колебаний мало и равно приблизительно 10-6.
Масса частиц дилатонной темной материи существенно меньше одного электронвольта (напомним, что масса электрона чуть больше 0,5 мегаэлектронвольта, а масса протона почти равна одному гигаэлектронвольту), а ее взаимодействие с полями Стандартной модели имеет очень специфический вид — в простейшем случае в уравнениях движения поле темной материи с определенными коэффициентами добавляется к массе электрона и обратному квадрату его заряда, превращая их из констант в переменные в пространстве-времени величины. От значения массы и заряда электрона зависят свойства атомов, а следовательно, и состоящих из них веществ. Изменение этих параметров ведет в частности к изменению показателя преломления и размера твердых тел, которые предположительно можно наблюдать экспериментально.
Группа физиков из Великобритании и Германии под руководством Хартмута Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа предложила новый метод поиска частиц легкой темной материи с использованием детекторов гравитационных волн. Принцип действия этих детекторов следующий. Два перпендикулярных тоннеля, внутри которых поддерживается глубокий вакуум образуют плечи интерферометра. Длина плеч составляет от нескольких сот метров, как в GEO600, до нескольких километров, как в LIGO и Virgo. Лазерный луч расщепляется разделителем, имеющим форму тонкого цилиндра, распространяется по обоим туннелям, отражается от зеркал, подвешенных в их концах, и снова падает на разделитель, откуда затем попадает в детектор. Длины плеч интерферометра подобраны так, что два луча, соединяясь в разделителе, деструктивно интерферируют друг с другом, и освещенность детектора получается нулевой. Если же оптическая длина пути света внутри одного из тоннелей из-за прохождения через Землю сильной гравитационной волны меняется, то фаза соответствующего лазерного луча меняется вместе с ней, и детектор регистрирует свет.
Схема детектора гравитационных волн, Wikimedia commons
Ученые рассмотрели три типа дилатонной темной материи. Первый из них представляет собой простейший вариант, в котором темная материя взаимодействует только с электроном и фотоном. Во второй теории темная материя взаимодействует аналогичным образом еще и с глюонным, и с кварковыми полями. Третья модель во многом похожа на вторую, но взаимодействие темной материи с полями Стандартной модели в ней возникает через смешивание дилатона с полем бозона Хиггса. Проанализировав данные, собранные GEO600, физики не обнаружили темной материи, описываемой ни одной из трех теорий. Это, однако, позволило установить им более строгие ограничения на массы частиц темной материи и на величины констант связи, определяющих интенсивность ее взаимодействия с обычным веществом.
Результаты исследования закрыли теории дилатонной темной материи для величин обратных констант связи вплоть до 3 × 1019 гигаэлектронвольт в диапазоне масс частиц от 10-13 до 10-11 электронвольт. Эти ограничения в данном интервале масс более чем на шесть порядков величины более строгие, чем те, которые были получены в спектроскопических экспериментах, и на четыре порядка лучше, чем в проверках принципа эквивалентности.
Зеленым обозначена запрещенная данным исследованием область параметров в простейшей модели, в которой темная материя взаимодействует только с электронами и фотонами. Полосами других цветов обозначены результаты предыдущих экспериментов. H. Grote et al. / Nature.
Зеленым обозначена запрещенная данным исследованием область параметров в модели, в которой темная материя взаимодействует не только с электронами и фотонами, но и с частицами КХД. Полосами других цветов обозначены результаты предыдущих экспериментов, H. Grote et al. / Nature
Зеленым обозначена запрещенная данным исследованием область параметров в модели, в которой темная материя смешивается с бозоном Хиггса и взаимодействует не только с электронами и фотонами, но и с частицами КХД. Полосами других цветов обозначены результаты предыдущих экспериментов, H. Grote et al. / Nature
Физики считают, что гравитационные обсерватории следующего поколения или интерферометры сравнимой чувствительности помогут существенно уточнить их результаты. Они также отмечают, что увеличения точности эксперимента можно добиться и на действующих установках с помощью модификации оптики. Для этого, например, можно на плечи интерферометра установить зеркала разной толщины, что вызовет разное изменение их оптических свойств в осциллирующем поле гипотетических частиц легкой темной материи.
Экспериментально усилены ограничения на взаимодействие частиц темной и обычной материй
Иллюстрация: Colin Kennedy et al. / arXiv.org.
Американские физики улучшили ограничения на взаимодействие темной материи с обычной материей, которое могло бы проявляться в мельчайших колебаниях постоянной тонкой структуры и массы электрона. Они добились этого путем сравнения частот электромагнитного излучения, генерируемого в процессе работы сразу трех сверхточных устройств: криогенного кремниевого резонатора, оптических часов и водородного мазера. Ученым в пределах точности эксперимента не удалось обнаружить изменения в фундаментальных константах, от которых в разных соотношениях зависели генерируемые частоты, но эксперимент позволил усилить ограничения на взаимодействие темных частиц с массами в промежутке между 10-21 и 10-16 электронвольт с обычной материей. Препринт работы опубликован на arXiv.org. Ученым уже давно стало ясно, что кроме видимой нам материи во вселенной присутствует еще некоторая скрытая масса. Без ее существования крайне сложно объяснить аномально высокие скорости вращения периферических областей галактик и гравитационное линзирование.
(a) – основные зависимости между измеряемыми отношениями частот и фундаментальными константами для трех используемый устройств, (b) – зависимость отклонения данных от времени для двух способов измерения (красные точки – оптические часы, синие точки – водородный мазер), (c) – экспериментальные и смоделированные данные о спектральных плотностях мощности. Colin Kennedy et al. / arXiv.org
Однако все встает на свои места если предположить, что во вселенной существует особый вид материи, которая не излучает, но взаимодействует с обычной материей посредством гравитации. Именно такую гипотетическую форму материи и называют темной.
Физики придумали множество способов теоретически описать существование темной материи, а вот эксперименты по ее прямому обнаружению пока что не предоставили надежных результатов. Различные теории, в свою очередь, видят возможности для существования темных частиц в крайне широком энергетическом диапазоне: от легчайших аксионов с массой вблизи 10-22 электронвольт до темных ядер с массой вплоть до 1030 электронвольт (в рациональной системе единиц). Темные частицы различной массы могут оказывать влияние на совершенно разную по масштабам физику, поэтому ученым важно ограничить существующий простор для потенциального обнаружения темной материи.
Уже упомянутые аксионы — одни из наиболее привлекательных кандидатов на темную материю, так как с их помощью можно было бы объяснить и сохранение CP-симметрии в квантовой хромодинамике. Существование этих сверхлегких частиц также привело бы к существованию электрического дипольного момента нейтрона, который также уже давно пытаются увидеть в экспериментах, но пока безуспешно. Особо легкие скалярные частицы также решили бы ряд проблем в моделях холодной темной материи, а длина их волны де Бройля может достигать размеров карликовых галактик. Кроме того, предполагается, что подобные частицы могут генерировать колебания значения постоянной тонкой структуры, а также масс электрона и даже кварков.
Именно потенциальные колебания в постоянной тонкой структуры и массе электрона хотел увидеть или ограничить Колин Кеннеди (Colin Kennedy) из JILA. Для этого Колин вместе с коллегами использовал сразу три сверхточных устройства: оптические часы, водородный мазер и криогенный кремниевый резонатор. Последний представлял собой крайне стабильный генератор постоянной частоты и был охлажден до 121 кельвина. Эту генерируемую частоту измеряли с помощью двух других устройств: водородный мазер генерировал вспомогательную частоту, которая соответствовала спиновому переходу электрона в атоме водорода, а оптические часы, будучи особо точной разновидностью атомных часов, позволяли измерять исходную частоту с точностью в 2 × 10-18. Сами оптические часы основаны на периодической генерировании квантов электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, соответствующих определенному переходу электрона в атоме (в данному случае: переход с уровня 5s5p на уровень 5s2 в атоме стронция). Особенность эксперимента заключалась в том, что во всех трех устройствах генерируемые частоты зависели от различных соотношений постоянной тонкой структуры и массы электрона, поэтому из измерений частоты кремниевого генератора в единицах двух других приборов можно было вычленить потенциальные колебания в упомянутых фундаментальных константах.
Измерения с помощью оптических часов проводили в течение 12 дней с продолжительными перерывами, а с помощью водородного мазера — в течение 33 дней практически без перерывов. Наибольший вклад в ошибки эксперимента внесли пробелы в данных из-за не непрерывной работы установок, а также шумы в используемых приборах. В результате по данным о спектральных плотностях мощности физикам удалось ограничить константы взаимодействия темных частиц, связанные с колебаниями постоянной тонкой структуры и массы электрона. Всего физики наложили ограничения на взаимодействие с материей темных частиц в диапазоне масс от 10-21 до 10-16 электронвольт. Особого успеха ученые добились в ограничениях на колебания массы электрона: в этих данных исследователи усилили ранее полученный верхний предел в 100 раз для темной материи с массой около 10-20 электронвольт.
Ограничения на константу взаимодействия темной частицы с обычной материей, соответствующую колебаниям постоянной тонкой структуры. Colin Kennedy et al. / arXiv.org
Ограничения на константу взаимодействия темной частицы с обычной материей, соответствующую колебаниям массы электрона. Colin Kennedy et al. / arXiv.org
Экспериментаторы также указывают и на недостатки своего опыта, главным из которых оказалась непостоянность измерений с помощью оптических часов: за 12 дней они непрерывно проработали лишь 30 процентов общего времени. Для демонстрации важности непрерывных измерений физики смоделировали данные из предположения, что измерения проводились бы в 100 процентах времени опыта. В этом случае точность ограничений на колебания постоянной тонкой структуры увеличилась бы почти на порядок, однако этого не удалось добиться из-за технических ограничений. В будущем исследователи надеются исправить этот недостаток и улучшить свои предсказания. Более того, авторы надеются расширить диапазон исследуемых масс темных частиц и отмечают уникальность подобных экспериментов: с помощью опытов над атомами у физиков появляется возможность вводить ограничения на процессы галактических масштабов.
Другая крайность исследований темной материи — поиск крайне тяжелых частиц с массой порядка массы Планка. Недавно мы рассказывали о том, как их предложили искать с помощью массива из миллиарда маленьких маятников, которые бы отклонялись при пролете мимо такой тяжелой темной частицы. А в среднем энергетическом диапазоне уже есть намеки на реальные результаты: ранее детектор XENON1T зарегистрировал аномально большое число событий для частиц с массами порядка нескольких килоэлектронвольт.
Авторы: Никита Козырев, Андрей Фельдман, Олег Сивченко @OlegSivchenko
Источники: https://nplus1.ru/, https://habr.com/
