Темная материя остается одной из главных загадок современной физики и космологии. Хотя наблюдательные данные подтвердили ее присутствие и доминирующую роль в структуре Вселенной, фундаментальные свойства этой загадочной субстанции остаются неизвестными. В частности, до сих пор неясны масса и тип элементарных частиц, из которых состоит темная материя, а также характер ее взаимодействий с обычным веществом. Современные исследования ставят целью выявить признаки темной материи в различных рамках, предлагая новые методы и технологии для расширения пределов экспериментальных поисков. Одним из перспективных направлений является поиск ультралегкой темной материи.
В отличие от тяжелых слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые традиционно были объектом исследований, ультралегкие частицы обладают крайне малой массой, что приводит к волновым свойствам темной материи на астрономических масштабах. Такие частицы могут вести себя как классические волны с макроскопической длиной волны де Бройля, создавая квазинеоднородные области интерференции по всей галактике. В числе наиболее вероятных кандидатов — аксионы, аксиоподобные частицы и ультралегкие векторные бозоны, обладающие спином один и являющиеся носителями новых взаимодействий, отличных от электромагнитного. Важный шаг в направлении обнаружения ультралегкой векторной темной материи сделала группа ученых во главе с Дорианом В. П.
Амаралом, предложив уникальную методику на основе магнитной левитации. Использование магнитно левитирующей частицы, подвешенной в сверхпроводящем ловушке, позволило исследовать колебания микромагнита с высокой чувствительностью к минимальным силам. Такое устройство предоставило возможность выявить слабые осцилляции, которые могли бы быть связаны с воздействием ультралегкой темной материи на материю через взаимодействия, пропорциональные разнице между барионным и лептонным числом, обозначаемой как B-L. Экспериментальная установка представляет собой небольшой постоянный магнит субмиллиметрового размера, расположенный в ловушке из сверхпроводящего материала, что обеспечивает эффективное подавление внешних шумов и вибраций. Наблюдение за движением магнита ведется с помощью сверхпроводящей катушки, которая регистрирует изменения магнитного потока, индуцируемого смещением частицы.
Особенно важно, что такая методика позволяет достигать высокой чувствительности при низких температурах, где тепловой шум существенно снижен. В ходе эксперимента, проводившегося в мае 2022 года, ученые исследовали диапазон частот около 26.7 Гц, соответствующий определенному диапазону масс гипотетической ультралегкой темной материи. Анализ данных с помощью статистических методов, учитывающих стохастическую природу флуктуаций поля темной материи, показал отсутствие значимого сигнала, что позволило установить новые ограничения на силу связи между ультралегкой темной материей и обычной материей. Полученные ограничения на величину взаимодействия уступают предыдущим лучшим экспериментальным пределам, установленным, например, такими проектами как MICROSCOPE и Eöt-Wash.
Тем не менее, данный эксперимент является важным прорывом, поскольку реализует принципиально новый подход с применением магнитной левитации. В статьях описана статистическая модель, учитывающая квантовые и тепловые шумы, а также особенности динамики системы, что позволяет надежно выделять потенциальный сигнал из данных. Авторы работы также разработали концепцию дальнейшего развития эксперимента, получившего название POLONAISE (Probing Oscillations using Levitated Objects for Novel Accelerometry In Searches of Exotic physics). Эта программа предусматривает поэтапные улучшения установки, направленные на расширение диапазона исследуемых масс темной материи, повышение чувствительности и снижение уровня шума. В частности, предполагается использование более массивных магнитных частиц, более продвинутых систем SQUID и достижение более низких рабочих температур вплоть до нескольких милликелвинов.
Планируемые технические решения включают добавление дополнительной катушки для управления резонансной частотой системы, что позволит гибко настраивать зону поиска. Многократное количество левитирующих частиц, параллельно контролируемых одним и тем же SQUID-детектором, даст возможность значительно ускорить процесс эксперимента. Особое внимание уделяется снижению вибраций с помощью многоступенчатых систем демпфирования и улучшению качества материалов ловушки и магнитных частиц для минимизации потерь энергии и шумов. Прогнозы развития проекта POLONAISE предусматривают, что уже в краткосрочной перспективе он сможет конкурировать с существующими экспериментальными ограничениями, а в среднесрочной и долгосрочной — превзойти их, открывая новые области параметров взаимодействия темной материи, ранее недоступные для измерений. Это позволит получить более полное представление о свойствах ультралегкой темной материи и ее возможных взаимодействиях с обычной материей.
Метод магнитной левитации обладает рядом преимуществ по сравнению с другими подходами. Во-первых, он позволяет левитировать относительно крупные объекты, что повышает чувствительность к силам, пропорциональным массе. Во-вторых, использование сверхпроводящих материалов в условиях криогенных температур снижает уровень технических шумов, открывая путь к квантово-ограниченной точности измерений. В-третьих, возможность точного контроля частоты резонанса и использование мультиконтурных схем расширяет диапазон поиска темной материи в широчайшем частотном спектре. В целом, первый поиск ультралегкой темной материи с помощью магнитно левитирующей частицы представлял собой важный этап в развитии экспериментальных методов астрофизики и квантовых метрологических технологий.
Он демонстрирует перспективы использования новых, нестандартных подходов к краеугольным вопросам фундаментальной физики. Успехи в этой области могут впоследствии повлиять на понимание как составляющих Вселенной, так и процессов, происходящих в масштабах космоса. Уже сейчас результаты эксперимента стимулируют активные исследования и разработки новых прототипов и концепций. Расширение спектра используемых технологий и материалов в сочетании с глубоким теоретическим анализом может привести к нахождению долгожданных свидетельств существования темной материи. Таким образом, магнитная левитация и квантовые сенсоры становятся одним из ключевых инструментов в борьбе за понимание тайны, которая сдерживает прогресс в современной астрофизике и космологии.
Наблюдения и эксперименты подобного рода являются примером синергии фундаментальной науки и инженерных инноваций, показывая, как лучшие современные технологии позволяют заглядывать в самые тонкие процессы природы. В конечном счете, подобные усилия помогут не только установить существование или отсутствие ультралегкой темной материи, но и, возможно, откроют двери к новому виду взаимодействий и частиц, существенно расширив наше представление о Вселенной.
