Тёмная материя: SLAC заряжает электроны, чтобы найти неуловимую субстанцию

Электроны, разгоняющиеся до 99,9999999% скорости света в двухмильной трубе ускорителя Национальной лаборатории SLAC, завершают свой путь мощным ударом в Конечную станцию А. В конце 1960-х и начале 1970-х годов подобные столкновения помогли раскрыть элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, что принесло Нобелевскую премию руководителю эксперимента. «Конечная станция А — это священное место в SLAC», — говорит физик Тимоти Нельсон .

В ближайшее время на этом месте будет построен новый эксперимент, который позволит подтвердить или опровергнуть одну из самых популярных гипотез о тёмной материи.

Почти столетие назад швейцарский астрофизик Фриц Цвикки предположил наличие невидимой материи, гравитация которой удерживает галактики вместе. С тех пор доказательства существования тёмной материи продолжали накапливаться, и сейчас учёные считают, что 85% вещества во Вселенной скрыто от наших глаз. Однако тайна природы тёмной материи остаётся неразгаданной.

На протяжении десятилетий исследователи сосредоточились на двух типах частиц-кандидатов: слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs) и аксионов. Однако 40 лет безуспешных поисков этих частиц привели к тому, что физики начали рассматривать более сложные модели тёмной материи. Возможно, она состоит не из одного типа частиц, а из целого семейства, как и видимая материя.

Согласно новой гипотезе, тёмная материя может включать в себя множество лёгких частиц, которые условно можно разделить на две категории: «лёгкая тёмная материя» и «ультралёгкая тёмная материя». Лёгкая тёмная материя представляет собой более лёгкие варианты WIMPs, а ультралёгкая тёмная материя — ещё более лёгкие аксионы.

В 2019 году Министерство энергетики США запустило программу « Новые инициативы в области тёмной материи » для финансирования быстродействующих экспериментов. Сегодня ряд таких проектов готовится к строительству. Подобные эксперименты также развиваются в Европе и Азии.

Один из таких проектов — эксперимент по поиску лёгкой тёмной материи ( LDMX ). Эксперимент предполагает ускорение электронов к цели из вольфрама в Конечной станции А. В большинстве столкновений электронов с ядрами вольфрама не произойдёт ничего интересного. Однако в редких случаях, если лёгкая тёмная материя существует, электрон взаимодействует с ядром через неизвестную тёмную силу, значительно теряя энергию.

Другие исследователи сосредоточены на ультралёгкой тёмной материи, которая может быть настолько лёгкой, что её масса составляет 10 миллиардных триллионных массы электрона. Эти частицы могут естественным образом следовать из теории струн, кандидата на фундаментальную теорию физики.

Для поиска ультралёгкой тёмной материи разрабатываются такие эксперименты, как DM Radio в Стэнфордском университете и ADMX-EFR в Вашингтонском университете. Оба эксперимента были первоначально задуманы для поиска аксионов, но теперь переориентированы на более лёгкие вариации.

Пока учёные ожидают результаты этих экспериментов, некоторые теоретики рассматривают и другие идеи, такие как примордиальные чёрные дыры или модификации теории гравитации. Как отметил Филип Шустер, физик из Стэнфордского университета: «На данный момент, честно говоря, все гадают».