Невидимая субстанция пронизывает вселенную, изменяя пути звезд и галактик.
Эта так называемая темная материя создает гравитационное притяжение, но никогда не взаимодействует со светом. Никто не знает, из чего он сделан, и до сих пор его невозможно было обнаружить. Но новая теория может, наконец, обеспечить способ проверки на темную материю.
Темная материя может состоять из странных полумагнетиков, заявили физики-теоретики из Калифорнийского университета в Дэвисе на презентации 6 июня на конференции Planck 2019 в Гранаде, Испания. И, включив действительно мощный (пока еще не существующий) электронный микроскоп, мы, наконец, сможем их обнаружить.
Но не все физики убеждены.
«Я думаю, что это аккуратно, но не очень многообещающе», - сказала Сабина Хоссенфельдер, научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований, которая не участвовала в исследовании. «Вы можете изобрести бесконечно много частиц, которые могут составить темную материю». Это просто еще один из них, добавила она.
«Для каждой из этих частиц вы можете выполнять множество расчетов, публиковать статьи и придумывать эксперименты, на которые затем можно попытаться получить финансирование», - сказала она. «Если вам действительно повезет, кто-то проведет ваш эксперимент, который ничего не найдет».
Поиски темной материи
Хотя теории предсказывают, что темная материя существует, на самом деле мы понятия не имеем, как она выглядит и из чего она состоит. Некоторое время существовала «прекрасная история» о том, что темная материя состояла из неуклюжего, застенчивого зверя из частицы, известной как Слабо Взаимодействующая Массивная Частица, или WIMP, сказал соавтор нового исследования Джон Тернинг, профессор физики в Калифорнийском университете в Дэвисе.
В течение многих лет ученые искали эти медленные, бесплатные частицы, используя мощные ускорители частиц. Но со временем физики исключали все больше и больше кандидатов на WIMP, и популярная идея потеряла свою популярность. Хотя не исключено полностью, «в течение последних 10 лет люди думали о других возможностях, кроме WIMP», сказал Тернинг.
Другая теория предполагает, что темная материя на самом деле состоит из частиц света или фотонов.
«В дополнение к обычным фотонам, которые мы можем видеть, могут быть некоторые фотоны, которые мы не можем видеть», - сказал Тернинг. Эти так называемые «темные фотоны» являются гипотетическими частицами, которые имеют массу, но легче электронов. Темные фотоны будут взаимодействовать - хотя и довольно слабо - с обычными фотонами.
В этом новом исследовании Тернинг и его постдокторский исследователь Кристофер Верхарен основывались на этой теории, предлагая, чтобы темная материя могла также состоять из темных полумагнитов. Эти гипотетические полумагнетики были бы темными версиями долгоживущих монополей или магнитов. у которого только один полюс, который физик Пол Дирак впервые предложил в 1930-х годах. (Несмотря на десятилетия охоты, никто еще не нашел доказательств для них в природе.)
Дирак не просто предлагал монополи; он также предположил, что электрон, движущийся вокруг монополя, будет зависеть от его магнитного поля. Таким образом, если теория Тернинга и Верхарена верна, и темные версии этих полумагнетиков скрываются где-то во вселенной - и если эти темные полумагниты действуют как монополь Дирака - они также оставят тонкие подсказки на путях электронов.
Если бы существовали темные монополи, они испускали бы темные фотоны, которые могут превращаться в обычные фотоны, прежде чем они будут поглощены электронами, сказал Тернинг. Это взаимодействие приведет к тому, что электроны повернутся или изменят курс совсем чуть-чуть, создавая интерференционную картину, называемую эффектом Ааронова-Бома. (Электроны - это не просто частицы, они также являются волнами, и интерференционная картина - это то, что проявляется, когда пики и впадины в "волновом уравнении" электрона либо складывают, либо компенсируют друг друга, создавая серию параллельного света и темные линии.) Тернинг и Верхарен предлагают, чтобы они могли обнаружить это очень небольшое изменение в электронных интерференционных картинах, используя электронные микроскопы.
Возбужденный солнцем
Если темная материя существует, она находится внутри нас и вокруг нас, в том числе внутри и вокруг любого электронно-лучевого микроскопа, который мы использовали бы для его обнаружения. Но чтобы обнаружить темную материю через ее возмущение электронами, странные полумагниты, которые составляют темную материю, должны иметь достаточно сильное магнитное поле. Это означает, что эти полумагниты должны иметь много энергии.
По словам Тернинга, монополи, которые проходят вблизи Солнца, могут возбуждаться, получать больше энергии и затем спускаться на Землю. Он предсказывает, что около пяти из этих возбужденных монополей в день будут проходить через нечто вроде размера их предлагаемого электронно-лучевого микроскопа. «Это неплохо, потому что обычные детекторы WIMP были бы счастливы, если бы они получали пять событий в год», - сказал он.
Кроме того, изменение электронной фазы, вызванное темными полумагнитами, будет настолько крошечным, что для его обнаружения нам понадобятся электронно-лучевые микроскопы невероятно высокого разрешения - те, что существуют в настоящее время, вероятно, недостаточно мощные. , Этот электронный микроскоп должен иметь разрешение в пять раз больше, чем те, которые существуют в настоящее время, сказал Тернинг.
В любом случае, мы надеемся «заинтересовать этих людей сверхъестественными электронными микроскопами в поисках этого», или нам, возможно, придется построить еще один, чтобы просто сидеть и ждать темной материи », сказал Тернинг.
Различные конкурирующие теории темной материи рассказывают нам совершенно разные истории о том, как образовалась ранняя вселенная, сказал он. Более того, как только вы выясните, из чего на самом деле состоит темная материя - будь то легкие или тяжелые частицы, - люди могли бы создать своего рода фабрики темной материи здесь, на Земле. «Если это очень светло, вам не нужно много энергии, чтобы произвести свою собственную темную материю».
Ученые опубликовали свое исследование в журнале препринтов arXiv. Это еще не было рецензировано.
