Ученые из Университета Райса (США, штат Техас) разработали сенсор, который с помощью магнитной левитации способен обнаруживать квантовые колебания, вызванные теоретической ультралегкой темной материей, проходящей сквозь Землю.
Хотя темная материя, как считается, составляет большую часть вещества во Вселенной, некоторые теории предполагают, что ультралегкая темная материя, ведущая себя как непрерывная волна, создает ритмические силы, которые можно зафиксировать, если оборудование достаточно чувствительное.
Исследовательская группа, разработавшая и построившая сенсор на основе магнитной левитации, сообщает, что их первые тесты не выявили ультралегкую темную материю. Однако эксперименты, поддержанные Национальным научным фондом, позволили установить важные новые ограничения, которые помогут в дальнейших поисках темной материи.
«Наш подход открывает новую эру в обнаружении темной материи», — пояснил физик из Университета Райса Кристофер Таннелл, постдокторант и один из авторов исследования. Согласно заявлению, посвященному работе, Таннелл и Дориан Амарал, ведущий автор и аналитик исследования, совместно с Деннисом Уйтенбруком и Тьерком Остеркампом, физиками из Лейденского университета, создали сенсор, способный обнаруживать движения меньше ширины атома водорода.
Сначала команда поместила микроскопический неодимовый магнит внутрь сверхпроводящей камеры, охлажденной почти до абсолютного нуля. По словам Таннелла, использование магнитной левитации для удержания магнита в этой среде без трения «дает ему свободу двигаться, если что-то его подтолкнет».
После завершения сборки устройства команда начала наблюдать за подвешенной частицей, пытаясь зафиксировать ритмические силы, вызванные ультралегкой темной материей. Если теория верна, они рассчитывали обнаружить взаимодействия, зависящие от барионного и лептонного чисел. Эти величины, известные в физике частиц как «сохраняющиеся квантовые числа», остаются неизменными в рамках теоретической модели B−L, что означает возможность засечь даже малейшие изменения.
Однако, как сообщается в заявлении, сенсор не зарегистрировал ожидаемого сигнала от взаимодействия с ультралегкой темной материей. Тем не менее, по словам Таннелла, эксперименты исключили взаимодействия в узком частотном диапазоне около 26,7 Гц, что сузило параметры поиска для будущих исследований.
«Каждый раз, когда мы не находим темную материю, мы уточняем карту», — сказал Таннелл. «Это как искать потерянный ключ в доме: если его нет в одном месте, ты понимаешь, что нужно искать в другом».
В следующих экспериментах команда планирует испытать усовершенствованную версию устройства, которую они в шутку назвали «Полонез» — в честь танца, который они исполнили, встретившись на климатическом протесте и осознав, что подобные измерения вообще возможны. Новая установка будет использовать более тяжелые магниты, стабильную левитацию и охватывать более широкий частотный диапазон, что позволит исследовать ранее недоступные области теоретического ландшафта темной материи.
«Наша будущая система не просто будет слушать внимательнее — она настроена на то, чтобы услышать то, что мы раньше даже не пытались услышать», — пояснил Таннелл.
Помимо сужения параметров поиска ультралегкой темной материи, команда отмечает, что использование магнитной левитации для обнаружения сил, сопоставимых с весом одного вируса, открывает новые возможности для изучения слабых дальнодействующих взаимодействий. «Мы не просто проверяем теорию — мы закладываем основу для целого класса измерений», — объяснил Амарал, ранее работавший с Мустафой Амином, доцентом физики и астрономии, над теоретическим обоснованием этого метода. «Магнитная левитация дает нам принципиально новый инструмент для поиска ответов на главные вопросы Вселенной».