Физики из Швейцарии и Германии предлагают использовать плазму для поиска аксионов – частиц-кандидатов на роль темной материи. Новость появилась на сайте Стокгольмского университета, а подробное описание стратегии – в журнале Physical Review Letters.
Темная материя – это таинственное вещество, которое составляет около 85% всего вещества во Вселенной. Что именно представляет из себя эта гипотетическая форма материи, мы не знаем, но без нее нельзя было бы объяснить многие явления – например, аномально высокую скорость движения галактик в скоплениях. Без гравитационного влияния на эти галактики некоего вещества наблюдения астрофизиков и их теории не соответствовали бы друг другу.
Ученые предложили множество кандидатов на роль темной материи. Один из них – аксионы, нейтральные частицы, которые сейчас также существуют на уровне гипотезы. Изначально эта единица была введена, чтобы объяснить сильное взаимодействие, которое удерживает вместе протоны и нейтроны во Вселенной.
Именно на эти частицы нацелились ученые из Стокгольмского университета (Швейцария) и Института физики Макса Планка (Германия). Они сравнивают обнаружение аксиона с настройкой антенны на нужную частоту. Но вместо музыки экспериментаторы смогут «услышать» темную материю, через которую «проходит» Земля.
Основная идея нового исследования состоит в том, что внутри магнитного поля аксионы будут генерировать небольшое электрическое поле, которое может быть использовано для возбуждения колебаний в плазме. Плазма – это одно из агрегатных состояний вещества, ионизированный газ, в котором заряженные частицы, такие как электроны, могут свободно перемещаться. Колебания, о которых идет речь, усилят сигнал, создавая тем самым лучшее «аксионное радио».
Считается, что аксион может распадаться на два фотона, превращаясь в свет. Как отмечает Мэтью Лоусон (Matthew Lawson) из Стокгольмского университета, один из авторов исследования, «без холодной плазмы аксионы не могут эффективно превращаться в свет. Плазма играет двойную роль. Она создает среду, которая одновременно обеспечивает эффективное преобразование аксиона, и обеспечивает плазмонный резонанс для сбора энергии преобразованной темной материи».
Для настройки такого «аксионного радио» авторы предлагают использовать нечто под названием «проволочный метаматериал» – систему проводов тоньше волоса, которую можно перемещать, чтобы изменить характерную частоту плазмы. Внутри большого, мощного магнита, подобного тем, которые используются в аппаратах магнитно-резонансной томографии в больницах, проволочный метаматериал превращается в очень чувствительный «аксионный радиоприемник».
Поиск темной материи с помощью плазмы не останется просто интересной идеей. Разработкой и исследованием этой концепции ученые занимаются вместе с экспериментальной группой из университета в Беркли (США), чтобы провести эксперимент с «аксионным радио» в ближайшем будущем.
[Иллюстрация: Alexander Millar/Stockholm University]
