Предложен новый метод лазерной интерферометрии для исследования светлых кандидатов в темную матери

Темная материя остается одной из самых актуальных загадок современной физики, поскольку она неуловима и ее очень сложно обнаружить. Это побудило экспертов разработать инновационные способы поиска этих странных частиц.

Кандидаты на темную материю

В поисках частиц темной материи участвуют несколько кандидатов, в том числе слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs) и гипотетическое гравитино. Существуют также частицы светлой темной материи или аксионы, которые включают в себя бозонные частицы, такие как квантовая хромодинамика (КХД). Последняя в последние годы стала предметом интереса астрономов.

Частицы светло-темной материи сложно обнаружить, поскольку они обычно подавляют взаимодействие со стандартной моделью. Тем не менее, ученые могут разработать более эффективные эксперименты, поняв их характеристики, такие как волнообразное поведение и когерентные свойства в галактических масштабах.

Изначально предполагалось, что аксионы и аксионоподобные частицы решат проблемы в физике частиц, например, проблему сильного заряда-четности (CP). Эта проблема возникла в результате наблюдения того, что сильная сила, по-видимому, не проявляет определенный тип нарушения симметрии в той степени, в какой это предсказывает теория. Естественно, эта теоретическая основа приводит к появлению аксионоподобных частиц, которые имеют схожие характеристики с аксионами, при этом оба являются бозонами.

Предполагается, что аксионы и аксионоподобные частицы имеют малые массы – от микроэлектронвольт до миллиэлектронвольт. Это делает их идеальными кандидатами на роль светло-темной материи, поскольку они могут демонстрировать волнообразное поведение в галактических масштабах. Помимо малой массы, эти частицы также очень слабо взаимодействуют с обычной материей, что делает их сложными для обнаружения обычными средствами.

Поиск светлой темной материи

В совместном исследовании специалисты из Университета Мэриленда и Университета Джона Хопкинса предложили создать галактический аксионный лазерный интерферометр, использующий электрооптику (GALILEO). Этот новый подход позволит исследовать аксион и темную фотонную материю в широком диапазоне масс.

Руководителем исследования является Реза Эбади из Центра квантовых технологий Мэрилендского университета. Результаты исследования обсуждаются в статье “GALILEO: Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics”.

Было обнаружено, что легкие кандидаты в темную материю ведут себя в солнечной окрестности как волны. Из-за их незначительного взаимодействия с электромагнетизмом предполагается, что такие волны вызывают хрупкие осциллирующие электрические поля с магнитными полями.

Команда Эбади сосредоточилась на обнаружении электрического поля, а не магнитного, поскольку именно оно является целевым сигналом в большинстве существующих и предлагаемых экспериментов. Электрические поля, индуцированные светло-темной материей, могут быть обнаружены с помощью электрооптических материалов, где внешнее электрическое поле изменяет их свойства, например, коэффициент преломления.

Эксперимент команды основан на точных измерениях с помощью лазерной интерферометрии. Предложенный ими метод GALILEO использует те же технологические достижения, что и LIGO, но представляет собой устройство настольного масштаба. В GALILEO используется асимметричный интерферометр Майкельсона, который может измерять изменения показателя преломления.

Когда луч зондирующего лазерной резки металла разделяется и проходит через два плеча интерферометра, плечо, содержащее электрооптический материал, меняет показатель преломления. Это изменение влияет на фазу лазерного луча, что приводит к возникновению осциллирующего сигнала, когда лучи снова сливаются вместе.

Когда измеряется разность фазовых скоростей между двумя плечами интерферометра, GALILEO может определить частоту колебаний, вызванных светом и темной материей. Этот колебательный сигнал служит сигналом присутствия частиц темной материи.