15 октября 2020

Хиральные молекулы могут пролить свет на темную материю

Петербургский институт ядерной физики Петербургский институт ядерной физики

Ученые НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ совместно с коллегами из Марбургского университета (Германия) выяснили, что изучение спектров хиральных молекул может дать важную информацию о неизвестных составляющих нашей Вселенной. Их теоретические расчеты позволили предложить эксперимент, который либо даст темной материи "проявиться", либо приведет к существенным ограничениям существующих космологических моделей. Результаты этого исследования опубликованы в журналах Phys.Rev.Lett. и Phys.Rev.A.

Для постановки такого эксперимента было необходимо тщательно подобрать хиральные молекулы - те, которые имеют две нетождественные зеркальные формы, отличающиеся друг от друга как правая рука от левой.

"Стандартная космологическая модель, основанная на общей теории относительности Эйнштейна, утверждает, что видимая материя составляет примерно 5% от общей плотности энергии во Вселенной. Предполагается, что большая часть материи существует в виде темной материи (ТМ), которая необходима, чтобы удержать Вселенную от разлета", - пояснил научный сотрудник отделения нейтронных исследований НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ Михаил Козлов.

В настоящее время существует очень мало достоверно известных данных о темной материи, но есть множество теорий о ее составе, начиная от реликтовых черных дыр и заканчивая сверхлегкими, пока не открытыми элементарными частицами. Ярким примером этой загадочной составляющей Вселенной является обнаруженная в 2015 году массивная Галактика Dragonfly 44. Считается, что она почти полностью – на 99.9% –  состоит из темной материи.

Многие теории предсказывают, что темная материя включает в себя сверхлегкие частицы, взаимодействие с которыми нарушает пространственную четность (Р), то есть позволяет отличить "право" и "лево". В макроскопическом мире, который мы видим вокруг себя, деление на "право" и "лево" выглядит естественным, но для микромира оно отнюдь не очевидно. Дело в том, что понятия "право" и "лево" теряют смысл в фундаментальных взаимодействиях, за одним исключением – слабого взаимодействия. Именно оно, согласно расчетам ученых, поможет пролить свет на темную материю. Влияние сверхлегкой темной материи на электроны двух зеркальных форм хиральной молекулы – как результат слабого взаимодействия – может "проявиться" в спектроскопических экспериментах.

"Наши совместные с немецкими коллегами расчеты показали, что эксперименты с тщательно выбранными хиральными молекулами могут либо дать указание на существование сверхлегкой Р-нечетной формы темной материи, либо существенно ограничить соответствующие теоретические модели",

- рассказал старший научный сотрудник лаборатории квантовой химии отделения перспективных разработок НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ Тимур Исаев.

Соавтор работы из Марбургского университета, профессор Роберт Бергер отметил, что расчетами теоретиков уже заинтересовалась французская экспериментальная группа Бенуа Дарки из Института Галилея при университете Сорбонны.

Петербургский институт ядерной физики имени Б.П.Константинова (ПИЯФ) был основан в 1956 году как филиал знаменитого Ленинградского физтеха и в 1971 году стал уже самостоятельным институтом, носящим имя своего основателя. В институте проводятся фундаментальные научные исследования в области физики элементарных частиц и высоких энергий, ядерной физики, физики конденсированных сред, молекулярной и радиационной биофизики. Кроме того, ведутся исследования в прикладных областях, где применение самых передовых научных решений приводит к принципиально новым разработкам в области приборостроения, медицины и экологии. В институте действуют две базовых экспериментальных установки - реактор ВВР-М и протонный ускоритель. В настоящее время ПИЯФ организационно подчинён Курчатовскому институту