Исследования, в которых задействован миллиард микроскопических маятников или свободно падающих сфер, способны совершить значительный прогресс в поиске частиц темной материи.
Согласно современным научным данным, обычное вещество, составляющее звезды, планеты и другие объекты, занимает менее пяти процентов от общей массы Вселенной. Более 20 процентов приходится на темную материю, природа которой остается неизвестной — ученые пока не установили, из каких частиц она состоит. Эти загадочные частицы невидимы и не взаимодействуют с обычным веществом посредством фундаментальных сил, таких как сильное и электромагнитное, проявляясь лишь посредством гравитации, причем наиболее заметно — в масштабах, охватывающих огромные пространства.
Обычно предпринимают попытки обнаружения частиц темной материи косвенно, в редких случаях, когда вторичные частицы возникают в результате прямого столкновения с обычными частицами, они могут быть обнаружены. Различные теории предсказывают различные характеристики частиц темной материи, что, соответственно, приводит к разным результатам столкновений. Проверка каждой из этих гипотез требует проведения отдельных экспериментов, однако ни один из них пока не дал положительных результатов.
Дэниел Карни и его коллеги из Национального института стандартов и технологий США разработали новый, более универсальный подход к поиску частиц темной материи статье, опубликованной в журнале Physical Review D, они содержат описания экспериментальных схем, предназначенных для непосредственного обнаружения этих частиц — посредством их гравитационного воздействия на обычную материю. Согласно расчетам ученых, такие исследования позволят охватить возможный диапазон масс от 1/5000 миллиграммов и до нескольких миллиграммов.
Первоначальный проект предусматривает создание детектора, состоящего из миллиарда микроскопических маятников, равномерно распределенных в кубическом метре. Такая плотность позволит выявлять различия между колебаниями, возникающими из-за случайных шумов и вибраций, и скоординированными отклонениями маятников, вызванными прохождением частицы темной материи. Пролетающие частицы темной материи будут отличаться от частиц обычного вещества, которые будут быстро останавливаться внутри детектора. Для минимизации внешних помех, система потребует экранирования от случайных частиц и охлаждения до криогенных температур.
Альтернативный подход предполагает использование массива миниатюрных сфер, удерживаемых в вакууме с помощью магнитного поля или лазерного давления. Прекращение действия поля или лазера вызовет их одновременное и свободное падение. Если частица темной материи случайно взаимодействует с системой, это приведет к отклонению траектории соседних микросфер, что и будет зафиксировано. Ученые утверждают, что современные технологии микромеханики, в том числе используемые для производства некоторых компонентов смартфонов, позволяют осуществить подобные эксперименты на текущем уровне развития.