Тёмная материя на пороге: учёные нашли способ её поймать

На протяжении почти ста лет исследователи по всему миру пытаются разгадать тайну тёмной материи — невидимого вещества, которое, предположительно, составляет около 80% массы Вселенной и играет ключевую роль в объяснении множества физических явлений.

Для её обнаружения применялись самые разные подходы: от экспериментов на ускорителях частиц, где пытались создать тёмную материю искусственно, до анализа космического излучения, которое она могла бы испускать в межзвёздном пространстве. Однако даже сегодня основные свойства этого загадочного вещества остаются практически неизвестными. Считается, что тёмная материя оказывает влияние на обычную материю, но это воздействие настолько слабое, что его пока невозможно измерить напрямую.

Учёные предполагают, что создание ядерных часов, использующих атомное ядро для измерения времени с беспрецедентной точностью, могло бы помочь обнаружить даже малейшие следы тёмной материи.

В прошлом году физики из Германии и США достигли значительного прогресса в разработке таких часов, используя радиоактивный элемент торий-229. Узнав об этом прорыве, группа теоретической физики из Института науки Вейцмана увидела в нём новые возможности для поиска тёмной материи, даже если полностью функциональные ядерные часы ещё не созданы. Совместно с немецкими коллегами они опубликовали исследование в одном из ведущих физических журналов, предложив новый способ выявления влияния тёмной материи на свойства ядра тория-229.

Атомное ядро, подобно качелям, имеет определённую частоту колебаний, известную как резонансная частота, при которой оно может "раскачиваться" между двумя квантовыми состояниями — основным и высокоэнергетическим. Для большинства материалов эта частота очень высока, и для её возбуждения требуется мощное излучение. Однако ещё в 1976 году было установлено, что торий-229 является исключением: его резонансная частота достаточно низка, чтобы её можно было контролировать с помощью стандартных лазеров и слабого ультрафиолетового излучения. Это открытие сделало торий-229 перспективным материалом для создания ядерных часов, где время измеряется за счёт "колебаний" ядра, подобно маятнику в механических часах.

Один из исследователей отметил, что ядерные часы могли бы стать идеальным инструментом для обнаружения сил, в 10 триллионов раз слабее гравитации, с точностью, в 100 тысяч раз превышающей возможности современных детекторов тёмной материи.

Однако разработка ядерных часов столкнулась с трудностями на начальном этапе, связанными с необходимостью точно измерить резонансную частоту тория-229. Для этого физики направляют на ядро лазерный луч с различными частотами и наблюдают, сколько энергии оно поглощает или излучает при переходе между квантовыми состояниями. На основе этих данных составляется спектр поглощения, а частота с максимальным поглощением считается резонансной.

На протяжении почти полувека учёным не удавалось достичь необходимой точности измерений для создания ядерных часов. Однако в прошлом году были сделаны важные шаги вперёд. Сначала немецкая команда из Национального института метрологии опубликовала относительно точные данные, а затем американские коллеги из Колорадского университета представили результаты, которые оказались в миллионы раз точнее.

Один из авторов исследования пояснил, что для создания полноценных ядерных часов требуется ещё большая точность, но уже сейчас открываются возможности для изучения тёмной материи. Он добавил, что в мире, состоящем только из видимой материи, физические свойства и спектр поглощения любого вещества оставались бы неизменными. Однако присутствие тёмной материи, обладающей волновой природой, может вызывать незначительные изменения массы атомных ядер, что приводит к временным сдвигам в спектре поглощения. Исследователи предположили, что способность точно фиксировать такие отклонения в спектре тория-229 может помочь выявить влияние тёмной материи и изучить её характеристики.

Теоретические расчёты, проведённые группой учёных, показали, что новые измерения способны обнаружить воздействие тёмной материи, даже если оно в 100 миллионов раз слабее гравитации — силы, которая сама по себе крайне мала. Один из участников исследования отметил, что эта область исследований ранее не изучалась, и подчеркнул, что для обнаружения тёмной материи недостаточно просто фиксировать сдвиги резонансной частоты. Он пояснил, что необходимо анализировать изменения во всём спектре поглощения, чтобы выявить возможные следы тёмной материи. Хотя такие изменения пока не обнаружены, учёные создали основу для их изучения в будущем. Он добавил, что, если отклонения будут зафиксированы, их интенсивность и частота позволят рассчитать массу частиц тёмной материи. Кроме того, исследователи смоделировали, как различные гипотезы о природе тёмной материи могут повлиять на спектр поглощения тория-229, что в перспективе поможет определить, какие из этих моделей верны и из чего состоит тёмная материя.

Тем временем лаборатории по всему миру продолжают совершенствовать методы измерения резонансной частоты тория-229, и этот процесс, вероятно, займёт ещё несколько лет. Если ядерные часы всё же будут созданы, они могут кардинально изменить многие области, включая навигацию на Земле и в космосе, системы связи, управление энергосетями и научные исследования.

Сегодня самыми точными устройствами для измерения времени являются атомные часы, которые используют колебания электронов между квантовыми состояниями. Они обладают высокой точностью, но имеют недостаток — чувствительность к электрическим помехам из окружающей среды, что может влиять на их стабильность. Ядерные часы, напротив, гораздо менее подвержены таким воздействиям.

Согласно одной из ведущих теорий, тёмная материя состоит из множества частиц, каждая из которых в миллион раз легче электрона. Один из исследователей отметил, что ядерные часы на основе тория-229 могли бы стать идеальным инструментом для её обнаружения, поскольку электрические помехи ограничивают возможности атомных часов в таких экспериментах. Он добавил, что ядерные часы позволили бы фиксировать невероятно малые отклонения в работе, такие как крошечные сдвиги резонансной частоты, которые могли бы указывать на влияние тёмной материи. По их оценкам, это обеспечило бы обнаружение сил, в 10 триллионов раз слабее гравитации, с точностью, в 100 тысяч раз превышающей возможности современных методов поиска тёмной материи.

Для дальнейшего развития этого направления исследований Европейский исследовательский совет выделил значительное финансирование, что подчёркивает важность проекта. В работе также приняли участие специалисты из Национального института метрологии Германии, Ганноверского университета имени Лейбница и других научных центров.

Уточнения

Тёмная мате́рия — в астрономии и космологии, а также в теоретической физике гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению.