Vice: ученые будут искать темную материю с помощью космических квантовых часов

Физики предложили осуществить удивительную космическую миссию, которая могла бы помочь нам раскрыть природу тёмной материи — одной из самых больших неразгаданных тайн в науке.

Тёмная материя считается фундаментальным компонентом Вселенной, потому что её в пять раз больше, чем знакомой нам материи, из которой состоят звёзды, планеты и даже мы сами. Но несмотря на своё обилие, тёмная материя оказалась совершенно неуловимой для наших инструментов: обнаружить её так и не удалось. Мы знаем, что она существует, только благодаря косвенным наблюдениям за её гравитационным влиянием на такие светящиеся объекты, как скопление галактик.

Учёные разработали множество сложных техник для поиска тёмной материи, обнаружение которой помогло бы ответить на целый ряд вопросов о нашей Вселенной, но ни один из способов не оправдал ожиданий.

И вот группа учёных под руководством физика из Калифорнийского университета в Ирвайне Ю Дай Цая (Yu-DaiTsai) предложила осуществить удивительную космическую миссию. Идея заключается в том, чтобы отправить в космос самые точные часы из когда-либо изобретённых, чтобы найти тёмную материю, которая, вероятно, связана с Солнцем. Миссия, получившая название SpaceQ, помогла бы открыть "новые физические законы" и "изучить многие фундаментальные физические вопросы", говорится в исследовании, опубликованном в понедельник в научном журнале Nature Astronomy.

"Тёмная материя остаётся одной из важнейших загадок астрономии и космологии из-за своей неизвестной и неуловимой природы", — отметил Цай в электронном письме редакции. "Если бы мы смогли найти тёмную материю и узнать её свойства, это дало бы нам понимание об эволюции Вселенной, многих астрофизических измерениях, включая скорость объектов в малых масштабах (от маленьких галактик до скопления галактик)", — пояснил исследователь.

Он также добавил, что "это будет самым важным прорывом в изучении физики частиц, поскольку это единственный недостающий элемент, необходимый для понимания самой физики частиц".

Концепция миссии SpaceQ строится вокруг невероятной точности того, что команда называет "квантовыми часами". К этой категории относятся существующие атомные часы, которые представляют собой сверхточные инструменты, использующие колебания внутри атомов для определения времени, а также молекулярные и ядерные часы, которые сейчас находятся на стадии разработки и, как ожидается, будут еще более чувствительными. Эти часы не только показывают время, но и измеряют даже самые небольшие изменения в частотах атомов.

Поэтому Цай задумался над тем, чтобы использовать часы для поиска гипотетической версии тёмной материи, известной как ультралёгкая тёмная материя, которая теоретически может быть связана с Солнцем при помощи такой структуры, как гало тёмной материи. Ожидается, что космическая миссия к Солнцу поможет обнаружить ультралёгкую тёмную материю, если, конечно, она существует, с помощью измерения незначительных изменений в частоте атомных переходов в квантовых часах, показывающих взаимодействие этих частиц с другими формами материи.

"Мы продемонстрировали, что прогнозируемая чувствительность космических часов для обнаружения связанного с Солнцем гало (тёмной материи) на порядки превосходит земные часы", — написали Цай и его коллеги в своей работе.

"Насколько нам известно, это пока единственный способ, позволяющий достичь нужной чувствительности в интересующем нас пространстве параметров", — заключили исследователи.

Цай разрабатывает концепцию с 2020 года вместе с соавторами исследования: экспертом по ядерной физике Университета Делавэра Марианной Сафроновой и специалистом по тёмной материи Института физики и математики Вселенной им. Кавли Джошуа Эби (Joshua Eby).

"Миссия с использованием солнечного зонда позволит исследовать с помощью атомных часов повышенную плотность тёмной материи вблизи Солнца и проверить очень интересные и обоснованные целевые модели, представленные в нашей работе, — рассказал Цай. — К тому же мы сможем проверить изменение значений фундаментальных постоянных при перемене гравитационного потенциала по мере приближения к Солнцу. Это была одна из основных физических причин создания точных часов".

На проведение данного исследования учёных вдохновили две беспрецедентные миссии НАСА: Атомные часы для дальнего космоса — тестирование уникальных космических часов с навигационной системой, запущенных в 2019 году, и солнечный зонд "Паркер", который был запущен в 2018 году и побил рекорды по минимальному расстоянию от Солнца. SpaceQ — это умопомрачительная смесь двух беспрецедентных миссий, сочетающая в себе манёвры "Паркера" по сближению с Солнцем и чувствительные атомные измерения часов для навигации в дальнем космосе.

"Технология Атомных часов для дальнего космоса позволяет нам совершить космический полёт, а солнечный зонд 'Паркер' — это замечательная миссия для изучения Солнца. — сказал Цай. — Эти передовые технологии используются в практических целях. Это просто замечательно, что мы можем применить их для изучения фундаментальной физики, не говоря уже об их сочетании".

Пока это всего лишь задумка, но она представляет собой новый подход к поиску тёмной материи, который мог бы оказаться гораздо более эффективным по сравнению с существующими техниками. Но, если поразмыслить, насколько безумно будет искать тёмную материю — один из самых больших недостающих элементов, связанных со Вселенной — вокруг Солнца, запустив к нему убойный зонд, нелепо оснащённый точными часами?

"С помощью сети космических и земных часов можно изучать множество фундаментальных физических вопросов, включая неустойчивую топологическую тёмную материю и многоканальные характеристики экзотических частиц", — заключили исследователи. — По нашему мнению, если бы сигнал присутствовал, сравнение земных и космических часов позволило бы составить карту плотности (темной материи) в окрестностях Земли, чтобы еще больше ограничить пространство связанного состояния (тёмной материи)".