Представьте себе: поиск темной материи – одной из самых таинственных субстанций в космосе – оказался бы таким же простым делом, как выбор радиостанции в машине?

Согласно выводам недавнего исследования, инновационный подход к обнаружению этой неуловимой и неосвещенной материи, основанный на принципе настройки автомобильного приемника, может вскоре приблизить нас к разгадке ее природы.

О перспективном прорыве в стремлении найти ответы на один из ключевых вопросов современной астрофизики сообщается в новой исследованииработе ученых из Королевского колледжа Лондона, Гарвардской школы и Калифорнийского университета в Беркли, а также других исследовательских центров. В ней описывается новый способ выявления гипотетических частиц – аксионов.

Благодаря применению вещества, демонстрирующего способность к свечению при подборе определенной длины волны, ученые высказывают предположение о возможности разработки наиболее чувствительного в настоящее время детектора темной материи.

Загадка темной материи

Темная материя остается одной из ключевых нерешенных проблем современной космологии. Ее присутствие выводится на основе воздействия, которое она оказывает на видимую материю и электромагнитное излучение. Согласно имеющимся данным, ее доля в общей массе Вселенной составляет приблизительно 85 процентов. Несмотря на широкое распространение, сущность этой таинственной нематериальной субстанции остается неясной.

К наиболее многообещающим современным методам исследования, направленным на раскрытие тайны темной материи, относится изучение аксионов – чрезвычайно легких частиц с малым взаимодействием, проявляющих сходство в поведении с электромагнитными колебаниями.

«В настоящее время появляется возможность создания устройства для обнаружения темной материи, которое можно сравнить с радиоприемником, сканирующим широкий диапазон частот галактики до тех пор, пока не будет найден аксион. », — отмечает доктор Дэвид Марш, один из авторов исследования и научный работник при Эрнесте Резерфорде в Королевском колледже Лондона.

«У нас уже есть технология», — добавил он. «В настоящее время это сводится к вопросам размера и продолжительности процесса. ».

Настройка на частоту темной материи

Согласно недавнему изучению, проведенному Маршем и его коллегами, был создан инновационный прибор. Его основа – аксионная квазичастица (AQ), представляющая собой структуру материи, способную испускать незначительное количество света, но лишь в том случае, если ее колебания соответствуют частоте аксиона.

Фактически, созданный исследователями детектор функционирует на верхних пределах терагерцового диапазона – области спектра, где, по мнению ряда теоретиков, наиболее вероятно обнаружение аксионов.

Благодаря применению теллурида марганца-висмута (MnBi₂Te₄) – квантовому материалу с необычными магнитными и электрическими характеристиками, ученым удалось создать AQ. Учитывая высокую восприимчивость этого вещества к воздействию атмосферных газов, исследователи сформировали его из нескольких монослоев для точной регулировки параметров.

«Это позволит нам наблюдать увлекательные физические явления и изучить их взаимодействие с другими квантовыми компонентами, например, аксионом. », – заявляет Цзянь-Сян Цю, ведущий автор публикации из Гарвардского университета.

Используя плоскую электронную структуру вместе с высокоскоростной оптической системой для зондирования процесса возбуждения, исследователи зафиксировали согласованные колебания, «которые необычным образом вызываются антиферромагнитным магноном со смещенной фазой».

«Это служит неопровержимым подтверждением существования [динамической квазичастицы аксиона]. », – отмечают авторы в новой научной работе, детально описывающей их эксперимент. В перспективе Марш и его соратники планируют увеличить размерность разработанного ими детектора AQ, что, вероятно, потребует около пяти лет.

Расширенные сроки разгадки тайны

Тем не менее, поиск сигналов аксиона в терагерцовом диапазоне может потребовать десятилетия или даже больше времени.

Несмотря на то, что дальнейшие исследования могут занять продолжительное время и потребуют значительных усилий, Марш и его коллеги сохраняют оптимизм относительно перспектив разработанного ими способа поиска и потенциального влияния обнаружения темной материи на углубление наших знаний о Вселенной.

«Настоящее время представляет огромный интерес для ученых, занимающихся изучением невидимой массы Вселенной. », — отметил Марш, подчеркнув уверенность специалистов в том, что изучение аксионов может стать перспективным методом раскрытия тайны темной материи.

«Мы приближаемся к аксиону — и быстро», — говорит он.