Что такое тёмная материя? Мы не знаем. На данном этапе игры учёные заняты тем, что пытаются обнаружить её и составить карту её присутствия и распределения во Вселенной. Обычно для этого используются высокотехнологичные и сложные телескопы. Но новый подход предполагает использование настолько маленького устройства, что его можно разместить на кухонном столе.
Сотрудничество Чикагского университета и Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми привело к созданию настольного устройства под названием Broadband Reflector Experiment for Axion Detection или BREAD. BREAD создан для обнаружения тёмной материи, и его первые результаты уже представлены в новой статье.
Статья называется "Первые результаты широкополосного поиска тёмных фотонов тёмной материи в диапазоне 44-52 мкэВ с помощью коаксиальной антенны-тарелки". Она опубликована в журнале Physical Review Letters, а её ведущим автором является Стефан Книрк. Книрк — постдокторант Фермилаба, который руководил созданием детектора.
Слово "загадочный" будет слишком слабым для описания тёмной материи. Она составляет около 85 % материи во Вселенной. Её нельзя увидеть, но о её присутствии можно догадаться из наблюдений. Её масса удерживает галактики вместе; без неё они бы разлетелись на части.
Тёмную материю иногда называют основой Вселенной или строительными лесами, на которых держится обычная материя. Моделирование, например TNG Illustris, показало, как тёмная материя распределена по Вселенной в виде сети нитей и сгустков. Распределение скоплений галактик происходит по той же схеме.
Физики до сих пор не знают, что такое тёмная материя. Но она существует, и на её роль есть несколько кандидатов.
"Мы вполне уверены, что она существует, но есть много-много форм, которые она может принимать", — говорит доцент Чикагского университета Дэвид Миллер. Миллер — один из руководителей эксперимента BREAD.
Один из кандидатов на её роль — гипотетический тип частиц, аксионы. Если они реальны и их масса попадает в определённые пределы, то они могут быть одним из компонентов тёмной материи.
Эксперимент BREAD сосредоточен на диапазоне масс 10,7-12,5 ГГц. В этом диапазоне он ищет тёмные фотоны тёмной материи. Наряду с аксионами, они являются одним из наиболее перспективных кандидатов в тёмную материю. Тёмные фотоны — это гипотетический тип частиц, которые, по мнению физиков, могут выступать в качестве переносчиков взаимодействий для тёмной материи, подобно тому как фотоны являются переносчиками взаимодействий для электромагнетизма. При поисках тёмной материи аксионы и тёмные фотоны ищут совместно, но подробное объяснение их природы выходит за рамки этой статьи.
Первый раз BREAD работал 24 дня подряд и ничего не обнаружил; если бы обнаружил, это было бы огромной новостью, и мы бы все об этом узнали. Но поскольку цель эксперимента BREAD очень узкая, отсутствие положительного результата всё равно было конструктивным.
"Мы очень рады тому, что нам удалось сделать на данный момент", — говорит Миллер, — "У этой конструкции есть масса практических преимуществ, и мы уже продемонстрировали лучшую на сегодняшний день чувствительность в диапазоне 11-12 гигагерц".
Каждый кандидат в тёмную материю необходимо искать особым образом. Физики строят детекторы, нацеленные на конкретных кандидатов. BREAD работает немного по-другому. Как видно из его названия, это широкополосный детектор. Он может искать в диапазоне частот, но при этом страдает его точность.
"Если представить себе, что эксперимент похож на работу с радиоприёмником, то поиск тёмной материи напоминает прокручивание ручки настройки в поисках одной конкретной радиостанции. Разница состоит в том, что проверить нужно миллион разных частот", — говорит Миллер. "Наш метод похож на сканирование 100 000 радиостанций, а не нескольких, причём очень скрупулёзное".
Эта версия BREAD является уменьшенной версией будущей полномасштабной версии. В конечном итоге BREAD расположат внутри магнита. Магнитное поле повысит вероятность того, что частицы тёмной материи будут преобразованы в фотоны, которые можно будет обнаружить. Этот первый 24-дневный запуск был доказательством работоспособности концепции.
Несмотря на то, что первый пробный запуск не обнаружил никакой тёмной материи, его результаты всё равно оказались полезными. Запуск показал, что BREAD очень чувствителен в своём частотном диапазоне. Исследователи считают, что смогут улучшить чувствительность ещё больше.
"Это только первый шаг в серии интересных экспериментов, которые мы планируем", — сказал Эндрю Зонненшайн из Фермилаб, который изначально разработал концепцию BREAD. "У нас есть много идей по улучшению чувствительности поиска аксионов".
Тёмная материя и её состав — один из самых запутанных вопросов в науке. Для Миллера BREAD — это не просто очередной научный эксперимент. Он говорит о творческом подходе, необходимом для тщательного изучения тёмной материи, и о том, как исследователи из разных институтов могут работать вместе, чтобы добиться прогресса.
"В науке ещё так много открытых вопросов и огромное пространство для новых творческих идей по их решению", — говорит Миллер. "Я думаю, что это действительно яркий пример таких творческих идей — в данном случае, эффективных совместных партнёрств между менее масштабной наукой в университетах и более масштабной наукой в национальных лабораториях".
Комментарии (62)
Yura_PST
07.04.2024 10:48+10Уже много лет ищут темную материю и ни одного положительного результата. Интересно, почему никто не спрашивает, а всё ли в порядке с теорией?
arteys
07.04.2024 10:48+12Спрашивают довольно регулярно, есть куча конкурирующих теорий. Правда они все намного хуже описывают наблюдения.
Yura_PST
07.04.2024 10:48Правда они все намного хуже описывают наблюдения.
Теория темной материи есть, а наблюдений темной материи нет.
omxela
07.04.2024 10:48+5а наблюдений темной материи нет
Нет прямых наблюдений, потому, что пока нет понимания, как сделать прибор и каким он должен быть. Но косвенный эксперимент, косвенные наблюдения - вполне себе нормальная вещь. Первое, что приходит в голову, - история открытия кварков. Лет 60 назад редкая книжка о физике элементарных частиц обходилась без упоминания этой гипотезы. Книжек выходило много. Я их с увлечением читал (не все, разумеется). Мнения были самые разные. Результаты многочисленных косвенных наблюдений говорили о том, что кварки существуют. Во всяком случае, без них никак концы с концами не сходятся. Похожая вещь происходит сейчас с тёмной материей и энергией. Все радостно обошлись бы без них, но не получается пока. И я подозреваю, не получится.
ksbes
07.04.2024 10:48Кабы никогда не стоит забывать, что жесткие физические небесные сферы тоже имеет кучу косвенных наблюдений и доказательств. И, кстати, при ручном расчёте много проще и дают большую точность, чем расчёт по Копернику (и, даже, по Кеплеру - если совсем всё ручками считать)
omxela
07.04.2024 10:48Разумеется. Но объясняет ли эта гипотеза всю имеющуюся в наличии в данный момент массу наблюдений из разных источников? Есть сомнения. Если же речь идёт о том, как удобнее и проще посчитать что-то конкретное - то ради бога, если модель работает - пользуемся. Например, в квантовой механике есть так называемое квазиклассическое приближение. Это когда вы считаете систему классической, но квантуете какие-то параметры. Скажем, считаете атом классическим волчком с моментом, принимающим дискретные значения. При помощи такой модели ядерный магнитный резонанс считается легко и просто. Но такой подход не универсален и не претендует.
V_Scalar
07.04.2024 10:48Один физик пошутил — "нужно создать отдельный журнал где печатаются списки неудачно завершённых экспериментов по поиску тёмной материи.
А разгадка вот она, прямо перед глазами. Смотрим фильм "Паутина вселенной, там сделана анимация как возникла это самая паутина — от репеллера (что находится в центре войда и где как считается находится скопление тёмной энергии) вы увидите некий поток который сносит вещество к этим самым паутинкам и перегородкам, где вещество осаждается и накапливается. Сразу становится ясно что это действует не притяжение, а расталкивание то есть антигравитация тёмной энергии. Таким образом можно объединить разные эффекты, такие как гравитация, тёмная материя в одну единую силу, как это сделать я неоднократно писал.
Кстати, и чёрная дыра говорит о том же —вещество не притягивается, а сталкивается в дыру (там вещество падает как с водопада и испаряется на элементарные частицы, потом частицы вылетают через джеты)
arteys
07.04.2024 10:48+4Покажите расчёты.
Лямбда-CDM очень неплохо описывает эволюцию наблюдаемой вселенной, в том числе образование этих самих войдов и позволяет это все моделировать.
Ваша теория же численно справляется с этим не хуже?
V_Scalar
07.04.2024 10:48Лямбда-CDM очень неплохо описывает эволюцию наблюдаемой вселенной, в том числе образование этих самих
Это враньё, рассчитанное на широкую публику, на самом деле у тёмной материи проблем ещё больше. Тёмная материя должна скапливаться в центре галактики, но этого не происходит. Вместо этого галло какой то причудливой формы, якобы у тёмной материи есть особый отталкивающий заряд, не дающий слипаться материи (костыль подпирающий костыль). Каким образом тёмная материя послужила каркасом, а что для неё самой послужило каркасом? Интересно у вас получается, на масштабах галактики вам понадобилась костыль- подвязка), на больших масштабах вам понадобилось костыль -подпорка тёмная энергия,— это признак дурного тона в науке. Притягивающая и отталкивающая гравитация тоже дурной тон. В каких то галактиках есть тёмная материя в каких то нет, странно? Какие это многочисленные доказательства — скопление пули, м. ф.? У меня лучше объяснение.
Интересно получается с меня вы требуется расчёты, но не видите что в центре галактики и без расчётов лажа получается.
Если кто хочет я подскажу как написать универсальное уравнение эволюции вселенной и гравитации, объясняющий абсолютно всё, опираясь всего лишь на одну предпосылку — энтропийную гравитацию. Но предупреждаю это будет сложная, длинная и некрасивая формула, включающая инфлатон переходящий в поле Хиггса, бег констант и ещё кое чего.
Вам надо короткую и красивую формулу — извините нет такой.
skthn
07.04.2024 10:48+3Материя слипается благодаря элекроманнитному и слабому взаимодействию. Тёмная материя не участвует ни в том, ни в другом. Конечно, она не слипается, она просто пролетает через другую тёмную/обычную материю и летит дальше.
V_Scalar
07.04.2024 10:48Не в смысле вообще слипаются, а конденсируется, попробуйте например лёгкие аксионы охладить конденсировать
https://habr.com/ru/articles/805925/comments/#comment_26701471
Wizard_of_light
07.04.2024 10:48+3Тёмная материя должна скапливаться в центре галактики
Вообще если у неё нет аналогов сил трения, то всё наоборот - она должна висеть в основном на периферии галактики. Представьте себе массив тяжёлых частиц в центральном поле тяжести - они в общем случае будут двигаться по эллиптическим орбитам, и время нахождения вдали от центра тяготения будет намного превышать время прохождения перицентра. Некоторым аналогом может служить облако Оорта в Солнечной системе, из которого кометы ненадолго прилетают к Солнцу, а потом тысячелетиями болтаются где-то на периферии.
ksbes
07.04.2024 10:48Облако Оорта - это грубо говоря - диск. А тёмная материя образует "гало" - сферу. Между 2D и 3D в плане гравитационо связанных структур есть существенная разница (в основном в плане устойчивости).
То что мне довелось в своё время моделировать (а, точнее, поучаствовать, давно это было) - там ТМ просто постоянно "испаралась" из-за сильной неустойчивости: отдельные сгустки постоянно разгонялись до "чётвертой" космической и уходили на бесконечность, а то что оставалось, соответственно теряло энергию и скапливалось в центре.Wizard_of_light
07.04.2024 10:48Нет, облако Оорта - это грубо говоря сфера (вы его скорее всего с поясом Койпера перепутали, он уже более-менее уплощён). Диском когда-то стала только центральная часть околосолнечного газопылевого облака.
V_Scalar
07.04.2024 10:48Забыл написать о главной проблеме тёмной материи. Её придумали космологи, но физики частиц сказали— у нас для вас ничего подходящего нету. Кварки по своему определению должны иметь заряд магнитный момент, спин, а это определяет их взаимодействие со светом, Составные частицы — псевдо скалярные не заряженные мезоны тоже взаимодействуют. Остаётся только предположить зеркальную магнитную материю из монополей, но и здесь засада, магнитные монополи являются катализатором распада протонов. Дело в том что внутренняя симметрия по которой строятся частицы задаётся четырёхкомпонентным спинором Дирака, который использует направления независимых степеней свободы, так вот ВСЕ ОНИ ЗАНЯТЫ, либо монопольные — нестабильные. То есть ТМ должна быть совсем не от мира сего.
Нейтрино мало. Все окна" закрыты,
остались аксионы, если конечно они существует. Но попробуйте их заставить собраться в гало, это почти невесомая частица, носится как фотон, Как её охладить сконденсировать в ранней вселенной с жёстким излучением,
какие уж тут каркасы. Вот например пост @ksbes
<<<<То что мне довелось в своё время моделировать (а, точнее, поучаствовать, давно это было) - там ТМ просто постоянно "испаралась" из-за сильной неустойчивости: отдельные сгустки постоянно разгонялись до "чётвертой" космической и уходили на бесконечность, а то что оставалось, соответственно теряло энергию и скапливалось в центре.>>>>
V_Scalar
07.04.2024 10:48Тёмная материя должна скапливаться в центре галактики Вообще если у неё нет аналогов сил трения, то всё наоборот - она должна висеть в основном на периферии галактики.
Это же не я первый высказал проблему что ТМ должна концентрироваться в центре галактики
arteys
07.04.2024 10:48+2Пишите! Нобелевская премия ждет вас, без шуток, если сможете разрулить весь этот бардак в космологии. Только не здесь, а в рецензируемом физическом научном журнале. Или хотя бы на аркхиве.
V_Scalar
07.04.2024 10:48Пишите! Нобелевская премия ждет вас, без шуток, если сможете разрулить весь этот бардак в космологии. Только не здесь, а в рецензируемом физическом научном журнале. Или хотя бы на аркхиве.
угу, там меня ждут. Нужна учёная степень или поручительство трёх профессионалов
https://habr.com/ru/articles/805925/comments/#comment_26701471
arteys
07.04.2024 10:48угу, там меня ждут. Нужна учёная степень или поручительство трёх профессионалов
Абсолютная глупость. Научные статьи может писать кто угодно, хотя конечно некоторые аффиляции упрощают процесс, есть такое.
V_Scalar
07.04.2024 10:48Научные статьи может писать кто угодно
там фильтрация не по смыслу написанного, а по стилю. Пиши любую чушь, хоть как пингвины срут, но на наукообразном языке, подпевай мейнстриму, цитируй. Почуют что человек не из их круга сразу отворот без объяснений. В архив не примут примут в вихра
arteys
07.04.2024 10:48Что-то у вас показания меняются. Только что вы писали про степень и поручительство, а теперь стиль вам не нравится.
V_Scalar
07.04.2024 10:48Ничего у меня не меняется. Если у тебя есть степень ты известный учёный, берут без промедления. Если неизвестный тут начнутся проблемы, специализаций огромное количество и может не найтись рецензент по этой теме. Тогда вход идёт формальность есть ли наукообразное бубнение похожее на такое же наукообразное бубнение — тогда возьмут. Даже предполагаю что там используется специальная программа проверяющая на предмет плагиата и соответствий. Кстати уже были такие случаи когда шутники подсовывали работу написанную машиной, главное не содержание а форма.
DanilinS
07.04.2024 10:48+5Какой теорией? Теорий и кандидатов на роль темной материи хватает. Проблема в отсутствии подтверждения этих теорий.
Yura_PST
07.04.2024 10:48Другой теории, в которой абстракции (или коэффициента подгона?) темной материи нет нужды.
arteys
07.04.2024 10:48Всякие MOND, куча их. Просто они хуже работают чем темная материя.
DanilinS
07.04.2024 10:48Большинство учёных не признаёт MOND, поскольку основанные на ней расчёты указывают на её несостоятельность. Проблема альтернативных теорий гравитации в том, что если они и дают обоснование отдельным эффектам, являющимся следствиями существования тёмной материи, всё равно не учитывают их в совокупности. Они не объясняют наблюдаемого поведения сталкивающихся скоплений галактик и несовместимы с космологическими аргументами в пользу присутствия большого количества небарионного невидимого вещества в ранней Вселенной.
domix32
07.04.2024 10:48поскольку основанные на ней расчёты указывают на её несостоятельность
Это и называется "хуже работают". То есть до определённого момента всё идёт довольно таки неплохо, пока в какой-то момент количество зависимых параметров или масштабы начинают выдавать нонсенс.
q271
07.04.2024 10:48+4С теорией не всё в порядке, и это известно. Альтернативных теорий предостаточно. Но похоже, что все они на данный момент имеют те или иные проблемы. За неимением лучших альтернатив приходится много лет педантично накапливать экспериментальные данные в надежде подобрать ключ к решению загадки тёмной материи.
Groramar
07.04.2024 10:48Интересно сколько лет еще вот собираются искать. Кварки долго искали, ок. Сколько лет?
ТМ/ТЭ сколько уже ищут?
Интересно, будет когда-то грань, когда скажут: ТМ/ТЭ нет и не предвидится? Или будут искать до погасания Солнца?
BugM
07.04.2024 10:48Что-то что объяснит наблюдаемые явления будут искать пока не найдут. А то наблюдения есть, а чего-то что их объясняет нет. Непорядок.
Zergboy
07.04.2024 10:48+1Мне очень понравилось начало статьи: " Что такое тёмная материя? Мы не знаем".
Я как не сильно спец теряюсь в догадках, как можно найти то, чего ты даже не знаешь каково оно...
PrinceKorwin
07.04.2024 10:48+1Но мы точно знаем каким оно не может быть. И это сужает область поиска.
avshkol
07.04.2024 10:48Магнитное поле повысит вероятность того, что частицы тёмной материи будут преобразованы в фотоны, которые можно будет обнаружить.
Вот про это утверждение хотелось бы поподробнее…
А почему не гравитация? ( тогда такой детектор лучше бы поближе к Юпитеру запускать…)
gematit
07.04.2024 10:48А почему не гравитация? ( тогда такой детектор лучше бы поближе к Юпитеру запускать…)
Тогда уж к Солнцу)
Wizard_of_light
07.04.2024 10:48Тогда уж сразу к чёрной дыре. Кстати, они должны аномально набирать массу в скоплениях тёмной материи - ей эддингтоновский предел не помеха.
phenik
07.04.2024 10:48+2Слово "загадочный" будет слишком слабым для описания тёмной материи. Она составляет около 85 % материи во Вселенной.
84 % ТЭ, 22% ТМ, см. на вики.
Milliard
07.04.2024 10:48+2Видимо здесь процент высчитывался только для двух видов материи, без темной энергии. Т.е. 4,9% обычной материи, 26,8% темной материи, в результате имеем 26,8/(4,9+26,8) ≈ 85%.
net_racoon
07.04.2024 10:48Простите за глупый вопрос. А почему гравитон не подходит на роль частицы темной материи?
ksbes
07.04.2024 10:48Потому что его - нет. По крайней мере официально. Сколько физический вакуум не квантуй ...
net_racoon
07.04.2024 10:48Ну может пока не нашли или может он имеет другую природу. Насколько я знаю официально от него не отказались еще.
BugM
07.04.2024 10:48Не нашли ни одного доказательства существования это и есть «его нет». Как будут приходите.
net_racoon
07.04.2024 10:48Простите, я не физик и ни в коем случае ничего не утверждаю, но разве передача гравитационного взаимодействия не дает основание предположить наличие такой частицы?
ksbes
07.04.2024 10:48+1Основание-то даёт, но основания мало.
Проблема в том, что в ОТО гравитация - это свойства пространства-времени. Причём именно так - не просто пространства, а именно пространства-времени. А пространство-время это - не поле. Не может быть им в "чистом" ОТО. Его не проквантуешь.
Хотя и пытаются его так представить (всякие "петлевые гравитации" и проч.).
А раз гравитация (в чистом ОТО!) - это не физическое поле, то значит и не взаимодействие. И соответственно нет частицы.
Но люди работают над этим, несомненно, но пока безрезультатно.
domix32
07.04.2024 10:48Неясна природа оного. Известные эксперименты для разных теорий каждая стоят космических денег и требует космических энергий - там с лёгкой руки 100х к энергиям на БАК найдётся. Подготовка к таким экспериментам растягивается лет на дцать и не гарантируют успехов, поэтому пытаются сварганить прагматичную теорию, которую возможно было бы проверить на имеющихся мощностях, параллельно подумывая как и где построить ускоритель посерьёзнее.
Поэтому те же аксионы - один из вариантов гравитонов - пытаются проверять на "хлебушке".
Alyoshka1976
На схеме есть надпись за 120 кельвин, подозреваю, для малошумящего усилителя. Кухня должна быть достаточно продвинутая :-)
VT100
КМК, это шумовая температура усилителя - он шумит, как 50(?) Ом резистор при 120 °К. Вот не знаю, насколько это круто.
Alyoshka1976
Но что интересно - в одном из даташитов на LNA упоминаются Tn ниже 9 кельвин, но там же - " 20K amplifier case temperature ", 20 кельвин, однако. А в другом за "cryogenic" прописано. Так что охлаждать скорее всего потребуется, жаль не указано, как сильно.