Космічні атомні годинники можуть допомогти розкрити природу темної матерії

Вивчення атомного годинника на борту космічного корабля всередині орбіти Меркурія і дуже близько до Сонця може бути трюком для розкриття природи темної матерії, передбачає нове дослідження, опубліковане в Nature Astronomy. Темна матерія становить понад 80% маси у Всесвіті, але її поки що не виявлено на Землі, не зважаючи на десятиліття експериментальних зусиль. Ключовим компонентом цих пошуків є припущення про локальну щільність темної матерії, яка визначає кількість частинок темної матерії, що проходять через детектор у будь-який момент часу, і, отже, експериментальну чутливість.

У деяких моделях ця щільність може бути набагато вищою, ніж зазвичай передбачається, і темна матерія може стати більш концентрованою в одних регіонах порівняно з іншими. Одним із важливих видів експериментальних пошуків є пошуки з використанням атомів або ядер, оскільки вони досягли неймовірної чутливості до сигналів темної матерії. Частково це можливо тому, що коли частинки темної матерії мають дуже малу масу, вони викликають коливання в самих константах природи. Ці коливання, наприклад, маси електрона або сили взаємодії електромагнітної сили, змінюють енергії переходів атомів і ядер передбачуваним чином.

Міжнародна команда дослідників, дослідник проєкту Інституту фізики та математики Всесвіту Кавлі (Kavli IPMU) Джошуа Ебі, Каліфорнійський університет в Ірвайні, докторант Ю-Дай Цай і професор Делаверського університету Маріанна С. Сафронова, побачили потенціал у цих коливальних сигналах. Вони стверджували, що в певному регіоні Сонячної системи, між орбітою Меркурія та Сонцем, щільність темної матерії може бути надзвичайно великою, що означало б виняткову чутливість до коливальних сигналів.

Ці сигнали можуть бути вловлені атомними годинниками, які працюють шляхом ретельного вимірювання частоти фотонів, що випромінюються під час переходів різних станів в атомах. Надлегка темна матерія в околицях експерименту з годинником може змінити ці частоти, оскільки коливання темної матерії трохи збільшують і зменшують енергію фотона.

«Чим більше темної матерії навколо експерименту, тим більшими є ці коливання, тому локальна щільність темної матерії має велике значення при аналізі сигналу», — сказав Ебі.

Хоча точна щільність темної матерії поблизу Сонця невідома, дослідники стверджують, що навіть пошук із відносно низькою чутливістю може надати важливу інформацію. Щільність темної матерії в Сонячній системі обмежена лише інформацією про орбіти планет. У регіоні між Сонцем і Меркурієм, найближчою до Сонця планетою, обмежень майже немає. Таким чином, вимірювання на борту космічного корабля можуть швидко виявити що лідерує у світі обмеження темної матерії в цих моделях.

Технологія перевірки їхньої теорії вже існує. Ебі каже, що сонячний зонд NASA Parker Solar Probe, який працює з 2018 року за допомогою екранування, підійшов до Сонця ближче, ніж будь-який штучний корабель в історії, і зараз працює всередині орбіти Меркурія, плануючи переміститися навіть ближче до сонця протягом року. Атомні годинники в космосі вже добре мотивовані з багатьох причин, крім пошуку темної матерії.

«Далекі космічні місії, включно з можливими майбутніми місіями на Марс, вимагатимуть виняткового хронометражу, який забезпечуватимуть атомні годинники в космосі. Можлива майбутня місія з екрануванням і траєкторією, дуже схожою на Parker Solar Probe, але з атомним годинником. обладнання, може бути достатнім для проведення пошуку”, – сказав Ебі.