Где прячется темная материя: найден новый способ обнаружить неизвестные бозоны без адронного коллайдера

Современная физика находится в поиске ответов на вопросы об устройстве Вселенной. Стандартная модель элементарных частиц прекрасно описывает видимую материю, но видимая материя составляет лишь малую часть космоса. Огромная доля приходится на так называемую темную материю — субстанцию, которая не взаимодействует со светом и проявляет себя только через гравитацию. Чтобы объяснить ее природу, физики-теоретики предполагают существование новых, пока не открытых частиц.

Традиционно поиск новых частиц ведется на гигантских ускорителях — таких как Большой адронный коллайдер. Ученые сталкивают протоны на сверхвысоких скоростях и анализируют результаты ударов. Однако этот метод имеет свои физические пределы. Если неизвестная частица слишком легкая или слишком слабо взаимодействует с обычной материей, детекторы коллайдера просто не смогут ее зафиксировать.

Из-за этого ограничения в науке активно развивается альтернативное направление — прецизионная физика. Вместо столкновений на высоких энергиях ученые используют сверхточные измерения в небольших лабораторных установках. Они анализируют крошечные отклонения в поведении электронов и ядер. Недавно группа исследователей — Константин Гауль, Лэй Цун и Дмитрий Будкер — опубликовала в научном журнале Physical Review Letters работу, которая доказывает: для успешного поиска новых частиц необходимо отказаться от исследования одиночных атомов и перейти к спектроскопии двухатомных молекул.

Пространственная четность как индикатор новой физики

Основой для поиска гипотетических частиц в атомной физике служит принцип нарушения пространственной четности. Вплоть до середины прошлого века в науке считалось, что все физические законы абсолютно симметричны. Это означало, что любой процесс должен протекать совершенно одинаково как в нашем мире, так и в его зеркальном отражении.

Позже эксперименты доказали, что одно из четырех фундаментальных взаимодействий — слабое ядерное взаимодействие — нарушает это правило. Процессы, связанные со слабым взаимодействием, зависят от направления, в котором они происходят (отличают «левое» от «правого»).

Современные физические теории предсказывают, что гипотетические новые частицы — например, тяжелые Z-бозоны или легкие векторные бозоны — могут служить связующим звеном между обычным миром и темным сектором. Важно то, что эти частицы, согласно расчетам, также должны нарушать пространственную четность. Взаимодействуя с электронами внутри атома, такой бозон будет вызывать микроскопическое смещение энергетических уровней. Это смещение зависит от спина (внутреннего квантового вращения) атомного ядра. Если ученые смогут измерить эту аномалию, они косвенно докажут существование новой частицы и смогут вычислить ее массу.

Предел атомной симметрии

На протяжении многих лет главным материалом для поиска таких нарушений служил цезий-133. Это тяжелый атом с одним электроном на внешней оболочке, что делает его удобным для теоретических расчетов. Именно на экспериментах с цезием физики установили самые точные на сегодняшний день ограничения на существование новых бозонов.

Однако атомы обладают серьезным недостатком: они имеют идеальную сферическую симметрию. Из-за этой симметрии эффекты нарушения пространственной четности, которые зависят от направления спина ядра, внутри атома сильно подавляются. Возникающее возмущение настолько мало, что его крайне сложно зафиксировать современными приборами.

Более того, при работе с атомами возникает проблема теоретической неопределенности. Чтобы выделить сигнал от гипотетической новой частицы, физикам нужно сначала точно вычесть из данных все эффекты, вызываемые обычными известными силами внутри ядра (в частности, так называемым ядерным анапольным моментом). В сложных тяжелых атомах структура ядра описывается с большими погрешностями, и эта погрешность расчетов перекрывает полезный сигнал. Ученые подошли к пределу чувствительности атомных экспериментов.

Асимметрия двухатомных молекул

Авторы нового исследования обосновали необходимость смены объекта наблюдений. Они доказали, что гораздо более перспективным материалом являются полярные двухатомные молекулы — химические соединения, состоящие из двух разных атомов. Примерами таких соединений служат фторид бария (BaF) или фторид радия (RaF).

В отличие от одиночного атома, такая молекула имеет ярко выраженную структурную асимметрию: один тяжелый элемент соединен с одним легким элементом. Такая физическая конфигурация приводит к тому, что внутри молекулы формируются специфические энергетические уровни электронов. Эти уровни находятся предельно близко друг к другу, но имеют противоположные характеристики пространственной четности.

Согласно законам квантовой механики, когда энергетические уровни расположены настолько близко, любое внешнее или внутреннее возмущение легко заставляет их смешиваться. В результате полярная молекула естественным образом усиливает сигнал от нарушения четности. Она реагирует на присутствие неизвестных фундаментальных сил в десятки раз сильнее, чем изолированный атом.

Математический анализ старых экспериментов

Для подтверждения своей гипотезы исследователям не потребовалось проводить новые измерения. Они использовали данные эксперимента с молекулами фторида бария, который был проведен другой группой ученых в 2018 году.

В своей работе авторы применили сложные методы вычислительной квантовой химии, основанные на релятивистской теории функционала плотности. Они перевели спектроскопические данные по фториду бария в строгие физические параметры. Впервые в науке были установлены прямые ограничения на взаимодействие между электронами и ядром (так называемое аксиально-векторное взаимодействие), которое могло бы возникать из-за присутствия новых векторных бозонов.

Расчеты показали, что даже данные прошлых лет, полученные без учета новых открытий в молекулярной физике, дают результаты, которые полностью конкурентоспособны по сравнению с многолетними и гораздо более дорогими экспериментами на атомах цезия. Этот факт подтвердил, что молекулярный подход принципиально работает.

Охлаждение лазером и новые химические элементы

Главная ценность опубликованного исследования заключается в точных прогнозах для будущих лабораторных установок. Сейчас чувствительность измерений ограничивается температурой молекул. В обычных условиях молекулы быстро движутся в пространстве, что создает погрешности в измерениях электромагнитных частот.

Авторы проанализировали, что произойдет, если использовать методы лазерного охлаждения. При облучении молекул специальными лазерами их движение практически останавливается. Холодные молекулы можно поместить в электромагнитную ловушку и наблюдать за ними длительное время, что радикально повышает точность сбора данных.

Расчеты группы Будкера и Гауля доказывают, что если провести эксперимент с охлажденными молекулами фторида радия, чувствительность к новым физическим взаимодействиям увеличится в диапазоне от 100 до 100 000 раз в зависимости от массы гипотетического бозона. Радий выбран не случайно — это очень тяжелый элемент, а квантовые эффекты нарушения симметрии растут по мере увеличения массы атомного ядра.

Кроме того, ученые просчитали варианты для поиска сверхлегких бозонов (с массой менее 10 килоэлектронвольт). Для этой задачи тяжелые металлы подходят хуже. Согласно статье, идеальным кандидатом станут легкие молекулярные ионы, такие как оксид кремния (SiO+). Эксперименты с этими легкими соединениями смогут обеспечить точность, абсолютно недостижимую на современных атомных установках.

Изменение вектора исследований

Долгие годы исследования фокусировались либо на повышении мощностей ускорителей, либо на совершенствовании атомной спектроскопии. Теперь фокус смещается на сложные молекулярные системы.

Переход от симметричных атомов к полярным молекулам решает главную проблему прецизионных измерений — слабость сигнала и подавление эффектов нарушения пространственной четности. Точный математический анализ доказывает, что изучение химических соединений с тяжелыми металлами в условиях сверхнизких температур дает реальный шанс зафиксировать следы частиц темной материи в небольшой лаборатории, без необходимости строительства новых подземных коллайдеров.

Источник:Physical Review Letters