Команда исследователей Стэнфордского университета нацелена на то, чтобы раз и навсегда идентифицировать темную материю. Но сначала им нужно будет построить самое чувствительное радио в мире.

«Темная материя — это большая часть материи в нашей вселенной. Мы не знаем, что это такое, но мы знаем, что она есть, потому что мы можем видеть ее гравитационные эффекты», — объяснил Питер Грэм, доцент физики в Стэнфордской школе гуманитарных и естественных наук, и один из лидеров поиска темной материи. «Мы также знаем, что она должна быть сделана из совершенно других частиц и с другими свойствами, чем все, что мы когда-либо находили».

Грэм и Савас Димопулос, профессор физики в Стэнфорде, разработали теории о темной материи, в которой выступают за высокоточные эксперименты, направленные на поиск аксионов, теоретизированных частиц, которые являются одними из наиболее вероятных кандидатов на темную материю. По словам Грэма, их теория набирает популярность, поскольку другие кандидаты на темную материю исключаются, а новые технологии делают возможными их сложные эксперименты. Теперь Фонд Гордона и Бетти Мур выделил исследователям из Стэнфорда примерно 2,5 миллиона долларов на создание нового типа датчика темной материи.

Руководствуясь теориями Грэма и Димопулоса, Кент Ирвин, профессор физики элементарных частиц и астрофизики в Стэнфорде и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, строит радио для темной материи, которое будет искать сигнал аксионов, способом, которым стандартное FM радио принимает передачу. Как и радиостанция FM, аксионная темная материя имеет точную частоту, но эта частота неизвестна. Благодаря достижениям в квантовых датчиках радио будет намного более чувствительным, чем прошлые эксперименты с темной материей, и сможет сканировать большой диапазон частот, которые наиболее вероятно обнаружат аксионы.

«Этот проект является действительно прекрасным примером того, как люди с очень разными знаниями объединяются для решения сложной проблемы», — сказала Риса Векслер, директор Института астрофизики и космологии частиц (KIPAC), профессор физики и физики элементарных частиц. «Темная материя составляет 85 процентов массы во вселенной, и я думаю, что очень маловероятно, что мы бы существовали без нее. Интересным в этом эксперименте является то, что он открывает так много пространства для открытий, которое ранее было недоступно».

Даже если исследователи не найдут аксион, их работа будет отличаться поиском значительной части его возможного диапазона частот. Исследователи также рады видеть, как их разработка датчиков будет способствовать дополнительным открытиям в различных областях.

Темная материя составляет большую часть массы во вселенной, но теоретически каждый аксион обладает очень малой массой, попадающей в категорию сверхлегкой темной материи. Квантовая механика, которая изучает поведение чрезвычайно мелких частиц, утверждает, что каждая частица также ведет себя как волна. Итак, если аксионы существуют, они пульсируют вокруг нас, как радиосигнал. Команда «Радио темной материи» o будет сканировать частоты в поисках той, которая передает сигнал от аксионов.

Первый трюк состоит в том, чтобы преобразовать аксионные волны в радиоволны, осуществляемые сильным магнитным полем внутри «Радио темной материи». Радио темной материи также окружено сверхпроводящим экраном из ниобия, который блокирует регулярные радиосигналы, но пропускает аксионы.

Даже со всеми этими улучшениями аксионы будут издавать очень слабый сигнал. Таким образом, настройка радио должна быть невероятно точной, разделенные одной миллионной долей десятичного знака. Как часть достижения этого уровня чувствительности и точности, Ирвин работает с новым типом квантового датчика, который способен принимать магнитные сигналы в сто миллионов триллионов раз меньше, чем тот, который производится обычным магнитом на холодильник.

«Произошел прорыв в способности контролировать, создавать и манипулировать квантовыми состояниями таким образом, чтобы мы могли воспользоваться преимуществами теории, существующей на протяжении многих десятилетий», — сказал Ирвин. «Это некоторые из тех же методов, которые используются для разработки квантовых компьютеров. Вместо того, чтобы использовать их для вычислений, мы можем измерять вещи гораздо более чувствительно и точно, чем раньше, и методы, которые мы используем, будут иметь широкое применение».

Те же квантовые датчики, которые исследователи встраивают в радиоприемник, могут также повысить точность медицинских методов сканирования, которые измеряют свойства магнитных и электрических полей в теле человека.

До сих пор исследователи успешно создали прототип радио темной материи размером с банку от газировки, которое работает как сверхчувствительное FM радио. В настоящее время они работают над увеличенной версией, которая сможет сканировать все интересующие частоты с достаточной чувствительностью для измерения темной материи аксиона .

«У экспериментаторов, таких как Кент, впереди еще много работы, но для меня это похоже на кульминацию стольких лет работы. Радио «Темная материя» станет реальностью. Это случится».