Ученые ищут следы темной материи с помощью нейтронных спиновых часов

Космологические наблюдения за орбитами звезд и галактик позволяют сделать однозначные выводы о силах притяжения, действующих между небесными телами.

Удивительное открытие: видимой материи далеко недостаточно, чтобы объяснить развитие или движение галактик. Это говорит о том, что существует другой, пока неизвестный тип материи. Соответственно, в 1933 году швейцарский физик и астроном Фриц Цвикки сделал вывод о существовании того, что сейчас известно как темная материя — постулируемая форма материи, которая не видна напрямую, но взаимодействует через гравитацию и состоит примерно в пять раз больше массы, чем материя, с которой знакомы ученые.

Недавно, после точного эксперимента, проведенного в Центре фундаментальной физики Альберта Эйнштейна (AEC) в Бернском университете, международной исследовательской группе удалось значительно сузить возможности существования темной материи.

Выводы группы под руководством Берна опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«Из чего на самом деле состоит темная материя, до сих пор совершенно неясно», — объясняет Иво Шультесс, доктор философии. студентка AEC и ведущий автор исследования. Однако несомненно то, что он состоит не из тех же частиц, из которых состоят звезды, планета Земля или люди. Во всем мире для поиска возможных частиц темной материи используются все более чувствительные эксперименты и методы, однако до сих пор безуспешно.

Некоторые гипотетические элементарные частицы, известные как аксионы, являются многообещающей категорией возможных кандидатов на роль частиц темной материи. Важное преимущество этих чрезвычайно легких частиц — то, они могут одновременно объяснить другие важные явления в физике элементарных частиц, которые до сих пор не были поняты.

«Благодаря многолетнему опыту нашей команде удалось спроектировать и построить чрезвычайно чувствительный измерительный прибор — эксперимент Beam EDM», — объясняет Флориан Пьегса, профессор физики низких энергий и точной физики в AEC.

«Наш эксперимент позволяет нам определить частоту вращения спинов нейтронов, которые движутся через суперпозицию электрического и магнитного полей. Вращение каждого отдельного нейтрона действует как стрелка компаса, которая вращается под действием магнитного поля подобно секундной стрелке наручных часов, но почти в 400 000 раз быстрее», — объясняет Шультесс.

«Мы точно измерили эту частоту вращения и проверили ее на наличие мельчайших периодических колебаний, которые могут быть вызваны взаимодействием с аксионами. Результаты эксперимента были ясны: «Частота вращения нейтронов осталась неизменной, а это означает, что в наших измерениях нет признаков аксионов», — заявил Пьегса.

Измерения, проведенные с исследователями из Франции в Европейском исследовательском источнике нейтронов в Институте Лауэ-Ланжевена, позволили экспериментально исключить ранее совершенно неисследованное пространство параметров аксионов. Также оказалось возможным искать гипотетические аксионы, которые были бы более чем в 1000 раз тяжелее, чем это было возможно ранее в других экспериментах.