«Космічне радіо» для пошуків темної матерії

Однією з найбільших загадок сучасної фізики та космології залишається природа темної матерії. Ця невидима, невловима субстанція, за оцінками вчених, становить близько 85% усієї маси у Всесвіті. Ми бачимо її гравітаційний вплив на рух зірок у галактиках та на викривлення світла від далеких об'єктів, але досі не знаємо, з чого вона складається. Пошук частинок темної матерії є одним із найпріоритетніших завдань фундаментальної науки.

Серед головних кандидатів на роль частинок темної матерії розглядаються аксіони — гіпотетичні, надзвичайно легкі та дуже слабко взаємодіючі з іншою матерією частинки. Теорія припускає, що ці частинки можуть пронизувати весь Всесвіт, створюючи своєрідне поле, подібно до хвилі з певною частотою. Однак головна складність полягає в тому, що ніхто не знає точної «частоти» аксіона, тобто його маси. Передбачається, що вона може лежати в надзвичайно широкому діапазоні електромагнітного спектру — від кілогерцових частот, які потенційно може сприймати людське вухо, до надвисоких терагерцових частот. Ця невизначеність робить пошук аксіонів схожим на спробу налаштуватися на невідому радіостанцію без знання її частоти.

Проте міжнародна група вчених з Королівського коледжу Лондона, Гарвардського університету, Каліфорнійського університету в Берклі та інших установ, схоже, знайшла спосіб створити надчутливий приймач для цього «космічного радіо». У статті, опублікованій у престижному науковому журналі Nature, дослідники представили концепцію нового детектора, який, на їхню думку, стане найточнішим інструментом для пошуку аксіонів на сьогоднішній день і може призвести до відкриття темної матерії протягом наступних 15 років.

В основі їхньої ідеї лежить концепція «аксіонної квазічастинки» (Axion quasiparticle, AQ). Детектор, який вони пропонують, фактично є резонатором, що генерує ці квазічастинки. Його можна «налаштовувати», змінюючи частоту генерованих AQ, подібно до того, як ми налаштовуємо радіоприймач на потрібну хвилю. Коли частота детектора (частота AQ) збігатиметься з власною частотою (масою) аксіонів, що пронизують простір, відбудеться резонансна взаємодія. Ця взаємодія, хоч і надзвичайно слабка, призведе до випромінювання детектором крихітної, але вимірної кількості світла (фотонів). Саме цей світловий сигнал і стане свідченням того, що детектор «спіймав» аксіон.

Ключовою особливістю запропонованого детектора AQ є його здатність працювати в найвищому, терагерцовому діапазоні частот. Багато теоретиків вважають саме цей діапазон найбільш перспективним для пошуку аксіонів, хоча експериментально він є одним із найскладніших для дослідження. Більшість існуючих експериментів з пошуку аксіонів зосереджені на нижчих, гігагерцових частотах.

«Тепер ми можемо створити детектор темної матерії, який по суті є космічним автомобільним радіоприймачем, що налаштовується на частоти ширшої галактики, доки ми не знайдемо аксіон, — пояснює співавтор дослідження доктор Девід Марш, співробітник програми Ернеста Резерфорда в Королівському коледжі Лондона. — Технологія у нас вже є, тепер це лише питання масштабу та часу».

Щоб створити ці унікальні аксіонні квазічастинки, дослідники використали екзотичний матеріал — телурид марганцю-вісмуту (MnBi₂Te₄). Цей матеріал відомий своїми незвичайними електронними та магнітними властивостями; він належить до класу так званих антиферомагнітних топологічних ізоляторів. Вчені навчилися «збривати» цей матеріал до надзвичайно тонких, двовимірних шарів, товщиною всього в кілька атомів, і накладати їх один на одного. Саме в таких ультратонких структурах виникають необхідні квантові ефекти, що дозволяють генерувати квазічастинки AQ та точно налаштовувати їхню частоту.

Розробка та дослідження цього матеріалу тривали в лабораторії протягом останніх шести років. «Оскільки MnBi₂Te₄ дуже чутливий до повітря, нам довелося відшаровувати його до кількох атомних шарів, щоб точно налаштувати його властивості, — каже Цзянь-Сян Цю, провідний автор з Гарвардського університету. — Це означає, що ми можемо спостерігати такий вид цікавої фізики та бачити, як вона взаємодіє з іншими квантовими сутностями, такими як аксіон».

Команда вважає, що, створивши значно більший зразок матеріалу AQ, вони зможуть побудувати повноцінний функціонуючий детектор протягом наступних п'яти років. Після цього, за їхніми оцінками, знадобиться ще близько десяти років систематичного сканування високочастотного спектру, де, як вважається, ховається темна матерія, перш ніж вони зможуть її виявити. Загальний горизонт відкриття — близько 15 років.

Доктор Марш підкреслює зростаючий інтерес наукової спільноти до аксіонів: «Це справді захоплюючий час для дослідника темної матерії. Зараз публікується стільки ж статей про аксіони, скільки було про бозон Хіггса за рік до його відкриття. Теоретики припустили, що аксіони поводяться як радіочастота, ще в 1983 році, і тепер ми знаємо, що можемо налаштуватися на неї — ми наближаємося до аксіона, і швидко».

Якщо «космічне радіо» на основі технології AQ спрацює, це стане революційним проривом у фізиці. Виявлення аксіонів не тільки розкриє таємницю темної матерії, що домінує у Всесвіті, але й підтвердить існування нового типу фундаментальних частинок та взаємодій, що виходять за межі Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Це відкриє нову еру в нашому розумінні космосу та фундаментальних законів природи. Попереду ще багато роботи зі створення та налаштування детектора, але перспектива нарешті «почути» сигнал від темної матерії надихає фізиків по всьому світу.