Новый способ поймать тёмную материю? Ученые рассматривают метод с атомными часами и лазерами
Тёмная материя — это, пожалуй, одна из самых захватывающих загадок современной науки. Мы знаем, что она существует, потому что видим её гравитационное влияние на галактики и скопления галактик, но что это такое на самом деле — остаётся тайной. Одно из самых интригующих предположений — это существование ультралёгкой скалярной тёмной материи. Представьте себе, невидимое поле, которое пронизывает всё пространство, словно космический эфир, и при этом состоит из частиц с массой, в миллиарды раз меньше массы электрона!
Именно эти загадочные частицы могут быть ключом к пониманию природы тёмной материи, и учёные прикладывают огромные усилия, чтобы их обнаружить. Один из самых перспективных подходов — использовать в качестве «детекторов» сверхточные атомные часы и лазеры, стабилизированные оптическими резонаторами. Но зачем это нужно?
Колебания фундаментальных констант: ключ к разгадке
Дело в том, что, как предполагается, ультралёгкая скалярная тёмная материя взаимодействует с обычными частицами, вызывая колебания значений фундаментальных констант — таких как постоянная тонкой структуры или массы фермионов, в том числе электрона. Атомные часы, чья точность зависит от частоты атомных переходов, и лазеры, частота которых стабилизирована колебаниями в резонаторах, могут «чувствовать» эти колебания.
Представьте, что эти колебания констант — это как едва заметные пульсации, которые проходят через вселенную. Обычные эксперименты пытаются поймать их, сравнивая показания двух часов, стоящих рядом. Но если оба датчика одинаково реагируют на эти пульсации, то в результате сравнения не выявится никаких отклонений. Здесь и кроется хитрость — чтобы обнаружить сигнал от тёмной материи, надо как-то «разнести» эти детекторы в пространстве.
Космическая «ловкость рук»: Разнесённые во времени и пространстве датчики
Именно такой подход предлагают исследователи в своей новой работе. Они предлагают использовать разнесённые в пространстве и времени датчики — например, атомные часы на борту спутников GPS и лазеры, стабилизированные в оптических резонаторах, которые разделены большими расстояниями.
Представьте себе, что тёмная материя — это не равномерное поле, а скорее волна, которая движется в пространстве. В каждый момент времени эта волна будет влиять на разные области пространства по-разному. Разнесённые датчики будут «чувствовать» эти влияния с разной силой, и это отличие может стать ключом к обнаружению сигнала.
В своей работе учёные проанализировали данные сравнения лазеров, стабилизированных резонаторами, соединёнными оптоволоконной линией длиной 2220 км, а также данные атомных часов на спутниках GPS.
Что нашли?
Результаты анализа привели к самым первым ограничениям на взаимодействие скалярной тёмной материи с электронами в определенном диапазоне масс. То есть ученые не обнаружили прямых свидетельств, но, тем не менее, существенно сузили область поиска и исключили ряд возможностей.
По сути, они показали, что их метод работает, и теперь, имея на руках столь действенный инструмент, можно не только охотиться на тёмную материю, но и изучать её природу в различных пространственных масштабах. И что особенно важно — этот подход не требует создания специальных, очень сложных детекторов. Используются уже существующие, самые точные приборы, с помощью которых ученые уже привыкли проводить измерения.
Дальше — больше!
Ученые не останавливаются на достигнутом. Они строят планы по созданию целой сети атомных часов в космосе, которая позволит исследовать тёмную материю с ещё большей точностью. Такой масштабный проект поможет не только обнаружить сигналы тёмной материи, если она существует, но и изучить её характеристики — например, выяснить её пространственную структуру, а также проверить, как она влияет на фундаментальные константы.
Эта работа — не просто очередное научное исследование, это важный шаг в понимании фундаментальных законов природы. Возможно, именно с помощью разнесённых в пространстве и времени атомных часов и лазеров нам удастся окончательно раскрыть тайну тёмной материи и понять, из чего же состоит большая часть Вселенной.