Темная материя: свежие новости о поиске невидимого вещества, пронизывающего галактику

Около 80 процентов всей материи в нашей вселенной невидима. Известно, что эта таинственная субстанция, называемая темной материей, существует во всей вселенной из-за гравитационного воздействия на обычную материю. Тем не менее, несмотря на свою распространенность, темная материя продолжает избегать прямого обнаружения. У Кэтрин Зурек, нового профессора теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте, есть некоторые идеи о том, как это изменить.

“Я разрабатываю теории темной материи, а затем идеи о том, как можно ее экспериментально обнаружить”, – говорит она. “Это рискованное исследование в том смысле, что мы не знаем, действительно ли мы обнаружим темную материю. Нам понадобится удача, тяжелая работа и хорошие идеи”.

Зурек получила степень бакалавра в области физики в Университете Миннесоты в Вефиле в 2001 году и степень доктора философии. В 2006 году она работала профессором физики в Мичиганском университете, а затем ученым в Калифорнийском университете в Беркли, а затем в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли с 2014 по 2019 год. Она присоединилась к факультету в Калтехе в 2019 году.

Мы поговорили с Зуреком о природе темной материи и поисках ее истинной идентичности.

Что мы сейчас знаем о темной материи?

Темная материя пронизывает галактику и вселенную. Мы движемся через галактику, и когда мы движемся, это создает ветер темной материи, который движется через нас. Мы знаем о темной материи через ее гравитационное воздействие на нормальную материю, но она не испускает никакого света, поэтому мы не можем ее видеть и не знаем, из чего она состоит.

Какая теория сейчас наиболее популярна для объяснения природы темной материи?

WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы) являются ведущим кандидатом. WIMPS названы так потому, что они слабо взаимодействуют с другими частицами. В настоящее время такие эксперименты, как SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) и XENON1T (Xenon 1 ton), все еще ищут WIMPS посредством взаимодействий с атомными ядрами, но до сих пор не нашли никаких доказательств. Если WIMP не будут обнаружены в ближайшее время с большими ксеноновыми детекторами, нам понадобятся еще более масштабные эксперименты, и это будет очень дорогим проектом. Должны ли мы проводить эти еще большие эксперименты? Я думаю, что для многих людей ответ – нет.

Как вы предлагаете искать темную материю?

Темная материя может быть частью того, что я называю темными или скрытыми секторами. Идея состоит в том, что есть еще один сектор нашей вселенной, помимо видимого, где темная материя имеет свою собственную динамику. Например, считается, что WIMP взаимодействуют со Стандартной моделью физики элементарных частиц посредством известной силы слабых взаимодействий. Мы требуем, чтобы WIMP принимали участие в решении некоторых проблем Стандартной модели, например, почему бозон Хиггса имеет массу, которую он имеет. Эти частицы скрытого сектора, напротив, будут взаимодействовать через новую силу со своей собственной динамикой. Это смена парадигмы на многих уровнях, включая то, как мы ищем темную материю. Мы не требуем, чтобы темная материя решала любые проблемы видимой вселенной. У него своя жизнь.

Я предложил ряд идей о том, как искать темную материю, используя настольные эксперименты. Большая часть инфраструктуры уже разработана для SuperCDMS и других экспериментов по обнаружению темной материи, и мы можем использовать огромный прогресс, который эти эксперименты уже нам дали, для новых мелкомасштабных экспериментов по поиску темных секторов.

Есть ли другие проекты, над которыми вы работаете по изучению темной материи?

Мы также хотим использовать массивы, поддерживающие пульсации, которые включают вспыхивающие объекты в космосе, называемые пульсарами. Это поможет нам изучить субструктуру темной материи или, в основном, то, как слипается темная материя. Когда рядом с нами или с пульсаром проходит гало темной материи или комок, это может вызвать сдвиги во времени прихода импульса. И если вы обнаружите таким образом субструктуру темной материи, тогда комок темной материи обнаружит что-то о ее фундаментальной природе. Это как когда вы смотрите на нашу вселенную и там есть все виды структур: планеты, звезды, диски и нити. Темный сектор также формирует структуры посредством взаимодействия гравитации и динамики темного сектора, и мы хотели бы изучить, каковы эти структуры в аналогичных масштабах.

Эта работа по измерению пульсара является хорошим дополнением к прямому исследованию темной материи с помощью лабораторных экспериментов.

Считается ли этот вид исследований высоким риском, высокой выгодой, как LIGO? (LIGO вошел в историю, сделав первые прямые обнаружения гравитационных волн, ряби в пространстве и времени в 2015 году, это были усилия, которые потребовали десятилетий самоотверженной работы.)

Да, это похоже на LIGO в том, что нам нужно иметь удачу на нашей стороне. С LIGO они не знали, что скорость слияния черной дыры и нейтронной звезды будет достаточно высокой, чтобы относительно быстро обнаружить гравитационные волны. Природа была доброй к команде LIGO. Исследование темной материи в некотором смысле является еще более рискованным предложением, поскольку мы имеем большую неопределенность в отношении скорости, но это важная проблема для изучения. Когда LIGO открыл гравитационные волны, он стал новой отраслью астрономии. Когда мы обнаружим темную материю, она станет новой отраслью физики.