Наблюдения за движением нейтронов и атомов тяжелых металлов при сверхнизких температурах показали, что самые легкие формы аксионов, частиц "легкой" темной материи, не могут существовать в принципе, что в очередной раз усложнило ее поиски, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review X.
"Эти результаты открывают новое окно для поисков темной материи. Они указывают на то, что аксионы не могут существовать в принципе в очень широком диапазоне масс и энергий, что заметно сокращает поле, где мы должны искать следы этой загадочной субстанции. Можно сказать, что наши поиски теперь начинаются заново",
— заявил Николас Эйрс (Nicholas Ayres) из университета Сассекса (Великобритания).
Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью, которая была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.
Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя – загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой "кузины", и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им "разбежаться".
Сегодня почти все ученые уверены в существовании темной материи, однако ее свойства, помимо ее очевидного гравитационного влияния на галактики и скопления галактик, остаются загадкой и предметом споров среди астрофизиков и космологов. Достаточно долго ученые предполагали, что она сложена из сверхтяжелых и "холодных" частиц-"вимпов", никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.
Безуспешные поиски "вимпов" в последние два десятилетия заставили многих теоретиков считать, что темная материя на самом деле может быть "легкой и пушистой" и состоять из так называемых аксионов – сверхлегких частиц, похожих по массе и свойствам на нейтрино.
Эйрс и его коллеги фактически случайно обнаружили, что самые легкие виды аксионов, о которых часто говорят теоретики, не могут существовать в принципе, анализируя результаты эксперимента CryoEDM, крайне далекого от космологии и темной материи.
Этот проект, как рассказывает физик, был запущен два десятилетия лет назад для точного измерения одной из самых малых фундаментальных величин – дипольного момента нейтрона. Под этим словом физики понимают то, как распределены области с положительным и отрицательным зарядом внутри нейтрона, и является ли нейтрон действительно полностью электрически нейтральной частицей.
В рамках CryoEDM физики пытаются найти дипольный момент нейтрона, наблюдая за тем, как "суп" из одиночных атомов редкого изотопа ртути и нейтронов реагирует на резкие изменения в направлении и силе электрического поля, внутри которого они находятся. Если нейтрон имеет дипольный момент, то тогда его спин будет "дергаться" особым образом при "переворачивании" поля, что можно будет "увидеть", наблюдая за тем, как меняется поляризация частицы.
Анализируя данные, полученные детекторами CryoEDM в первый период их работы, ученые заметили, что точность этих наблюдений была столь высокой, что на поведение атомов ртути и нейтронов будут сильно влиять взаимодействия их субатомных частиц с аксионами. Иными словами, если аксионы существуют, то они будут вызывать еще один тип колебаний, причем их сила будет напрямую зависеть от массы частиц темной материи.
Как показал повторный анализ данных CryoEDM, ничего подобного в поведении ртути и нейтронов не наблюдалось, что указывает на принципиальное отсутствие самых легких версий аксионов, чья масса в миллионы и десятки миллиардов раз меньше, чем у электрона.
Подобные результаты, как подчеркивает Эйрс, не исключают возможности существования других видов аксионов, но заметно сужают размеры поля, где их существование остается допустимым с точки зрения науки. Вполне возможно, что темная материя состоит не из сверхтяжелых или сверхлегких частиц, похожих на видимую материю, а имеет совершенно иную природу, о которой мы пока не догадываемся, заключают авторы статьи.