Ученые из BASE в Европейском исследовательском центре CERN и рабочая группа из Cluster of Excellence PRISMA + в университете Майнца приняли совершенно новый подход к поиску темной материи: они впервые исследовали влияние темной материи на антивещество вместо обычной материи.
«До сих пор ученые использовали образцы на основе материала в точных экспериментах с низкой энергией, чтобы доказать их связь с темной материей“, — объясняет Кристиан Сморра, который в настоящее время работает в японском исследовательском институте RIKEN и в течение следующих нескольких лет создаст рабочую группу в университете Майнца. „Впервые мы явно ищем взаимодействие между темной материей и антиматерией. Большинство исследований предполагают симметричное взаимодействие темной материи с частицами и античастицами. Мы проверяем в нашем исследовании, действительно ли это так.“
Этот подход имеет двойное очарование: мало известно о микроскопических свойствах темной материи — одним из наиболее обсуждаемых кандидатов является ALP — «аксионоподобные частицы». Более того, стандартная модель физики элементарных частиц не объясняет, почему во вселенной гораздо больше материи, чем антивещества.
“Мы надеемся найти подсказку через наши эксперименты, которые могли бы связать два вопроса“, — говорит Евгений Стадник, который участвовал в исследовании в институте Гельмгольца в Майнце. «Потому что как теоретически, так и экспериментально асимметричное взаимодействие такого рода ранее не изучалось. В нашей текущей исследовательской работе мы делаем первый шаг в этом направлении.“
Объект исследования ученых — единственный антипротон, попавший в ловушку Пеннинга. Эти частицы были получены учеными из Антипротонного замедлителя в ЦЕРНе, единственного в мире исследовательского центра, где антипротоны доступны при низкой энергии. Впоследствии ученые хранили и исследовали антипротоны, сгенерированные там в системе дел сотрудничества BASE.
Антипротон имеет не только заряд, но и спин. В магнитном поле этот спин прецессирует с очень определенной постоянной частотой — частотой прецессии спина.
“Мы могли бы обнаружить присутствие темной материи, изменив эту частоту“, — говорит Сморра. “Мы смотрим на потенциальные частицы темной материи как на классическое поле с определенной длиной волны. Эти волны непрерывно проходят через наш эксперимент и периодически изменяют фактически постоянную частоту прецессии антипротонных спинов в магнитном поле“.
Используя свою экспериментальную конструкцию, исследователи исследовали определенный диапазон частот – и до сих пор не нашли никаких доказательств темной материи. «С нашим текущим измерением мы не обнаружили значительного и периодического изменения частоты спин-прецессии антипротона»,-объясняет Штефан Ульмер, представитель базового сотрудничества в CERN. «Тем не менее мы превзошли чувствительность на целых пять порядков по сравнению с астрофизическими наблюдениями. Это означает, что мы определили новый верхний предел силы потенциального взаимодействия между темной материей и антиматерией на основе нынешней чувствительности нашего эксперимента.“
В будущем ученые хотят еще больше повысить точность измерения частоты прецессии спина антипротона. Это также было бы предпосылкой для того, чтобы поиск темной материи на основе антивещества стал еще более чувствительным. Для этого разрабатываются новые методы охлаждения протонов и антипротонов, а также методы квантовой логической спектроскопии спинов антипротонов. Также было бы интересно провести аналогичные исследования с другими античастицами, например, позитронами или антимионами.