300-летний эксперимент может стать лучшим в мире детектором темной материи

Фото из открытых источников

Столетний эксперимент может помочь ускорить поиск новых и экзотических частиц, включая те, которые составляют темную материю. Новое исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

В 1773 году британский ученый Генри Кавендиш провел простой эксперимент, направленный на раскрытие природы электромагнетизма. Он заключался в измерении электрического потенциала на поверхности двух вложенных металлических оболочек, чтобы определить, как заряженные частицы влияют друг на друга внутри них.

Теперь Питер Грэм из Стэнфордского университета в Калифорнии и его коллеги утверждают, что возрождение эксперимента Кавендиша может помочь раскрыть еще более загадочную особенность нашего космоса — частицы, составляющие темную материю.

Хотя темная материя составляет гораздо большую часть нашего космоса, чем обычная материя, мы не знаем, из чего она состоит. Существует множество теоретических предположений о том, из чего она может состоять, и эксперименты, направленные на выяснение этого, варьируются от использования ускорителей частиц до сложных подземных детекторов.

Грэм и его коллеги сосредоточились на одном кандидате в темную материю, называемом миллизаряженными частицами (мЧЧ), которые, как следует из названия, обладают необычно малым зарядом. Свойство быть заряженными делает их хорошими кандидатами для установки Кавендиша, созданной несколько столетий назад.

Команда предлагает воспроизвести его конструкцию с вложенными оболочками, подать напряжение на большую, внешнюю оболочку, а затем измерить разницу напряжений между ней и внутренней оболочкой. Поскольку мЧЧ электрически заряжены, это измерение покажет, присутствуют ли они в эксперименте.

Для этого новый эксперимент будет включать в себя накопительное устройство, которое будет всасывать все заряженные частицы из помещения, как пылесос, собирая все потенциальные мЧЧ в установку, говорит член команды Харикришнан Рамани из Университета Делавэра.

Конструкция проще и доступнее по сравнению с другими поисками мЧЧ, ее стоимость оценивается менее чем в миллион долларов или в тысячную часть стоимости эксплуатации ускорителя частиц в течение года. Расчеты исследователей также показывают, что этот метод может быть более чувствительным, чем некоторые эксперименты на ускорителях частиц, которые появятся в будущем.

Кевин Келли из Техасского университета A&M говорит, что некоторые оценки в расчетах исследователей, вероятно, занижены, поэтому предлагаемый эксперимент в конечном итоге может быть в 100–10 000 раз чувствительнее, чем предыдущие методы, что позволит им обнаруживать микрочастицы с зарядами даже меньшего размера, чем предполагалось ранее.

«Этот метод может быть лучше, чем некоторые из тех методов, которые мы с другими уже используем», — говорит Кристофер Хилл из Университета штата Огайо. Как и Грэм и Рамани, он считает, что эксперимент можно будет построить и завершить гораздо быстрее, чем, например, эксперимент на ускорителе частиц, что значительно сократит время до потенциально огромного открытия. «Это был бы большой шаг к пониманию того, из чего состоит большая часть Вселенной и как она работает», — говорит Хилл. Он говорит, что обдумывает возможность создания аналогичного эксперимента со своей командой.

Сейчас команда прорабатывает детали строительства и обеспечивает финансирование эксперимента. Если он окажется успешным, что, по словам Рамани, может произойти уже через два-три года, у него будет еще одно преимущество – миллизаряженные частицы можно будет извлекать из устройства Кавендиша и изучать впоследствии. «Можно будет хранить и передавать людям миллизаряженные частицы», – говорит он.