Детекторы гравитационных волн смогут искать тёмную материю

Существующие гравитационные телескопы можно без каких-либо модификаций и отрыва от основной работы использовать для поисков так называемых тёмных фотонов. По одной из гипотез, они являются компонентом неуловимой тёмной материи. Такой вывод изложен в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters группой во главе с Юэ Чжао (Yue Zhao) из Мичиганского университета.

Уверенность учёных в существовании тёмной материи зиждется на астрономических наблюдениях двух видов. Во-первых, на него указывает характер движения больших масс вещества (звёзд в галактиках, галактик в скоплениях и так далее). Во-вторых, о том же сигнализируют свойства реликтового излучения.

Однако физикам не терпится подтвердить наличие загадочной субстанции независимым способом. Поэтому они строят детекторы для прямого обнаружения составляющих её частиц.

Разумеется, для успешной работы конструкция такого устройства должна быть специально рассчитана, исходя из свойств частиц тёмной материи (например, их массы). Проблема, однако, в том, что никто толком не знает, из чего она состоит. Одни детекторы ищут гипотетические вимпы, другие предполагаемые аксионы. Предложены идеи установок, рассчитанных и на другие варианты.

Понятно, что изготовить уникальное и очень дорогое оборудование для каждой гипотезы, предложенной неугомонными теоретиками, не удастся. Тем отраднее новость, что, по крайней мере, идею с тёмными фотонами можно проверить на уже действующих инструментах, изначально построенных с совсем другими целями. Речь идёт об установках для наблюдения гравитационных волн.

"Это предложение прекрасно объединяет новорождённую область гравитационной волновой астрономии с физикой частиц, – приводит ресурс Phys.org слова Чжао. – Без каких-либо модификаций детектор гравитационных волн может использоваться как очень чувствительный непосредственный детектор тёмной материи с потенциалом для обнаружения тёмной материи на уровне пяти сигм".

Поясним последнюю фразу учёного. Каждый прибор помимо полезного сигнала фиксирует и разнообразный шум. Иногда шумы по несчастливой случайности могут сложиться в подобие искомого сигнала. Поэтому физики принимают всерьёз только результат, для которого такой сценарий маловероятен. Термин "уровень пяти сигм" означает, что вероятность такой ошибки составляет столь ничтожные доли процента, что ими можно пренебречь. То есть это стандартный "знак качества" для физики элементарных частиц.

Каким же образом детектор гравитационных волн может обнаружить новую частицу? "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, как устроены такие инструменты. Напомним в двух словах, что гравитационные волны раскачивают установленные в них зеркала. Амплитуда этих колебаний в тысячу раз меньше диаметра протона, но чувствительное устройство (настоящий шедевр инженерной мысли!) фиксирует и столь ничтожное движение.

По расчётам Чжао и коллег, попавший в детектор тёмный фотон тоже будет вызывать колебания зеркал. Причём их смогут обнаружить оба действующих инструмента LIGO и VIRGO, а также проектируемая космическая лаборатория LISA.

Но детекторы действуют уже давно, и свой первый всплеск гравитационных волн поймали в 2015 году. Почему же в таком случае они ещё не зафиксировали тёмные фотоны, если они действительно существуют?

Дело в том, что их и не искали. Повторим, при приёме гравитационной волны зеркала смещаются на величину, которая на порядки меньше радиуса протона. При такой точности помехой становится даже тепловое движение молекул в частях детектора. Чтобы выловить полезный сигнал в океане шума, нужно точно знать его ожидаемые характеристики. Для гравитационных волн такие расчёты были проделаны теоретиками заранее. Для тёмных фотонов их ещё только предстоит провести.

"Сначала мы планируем проанализировать данные с использованием упрощённой модели сигнала и простого алгоритма поиска. Затем мы постепенно уточним наш метод поиска, включив в него детальное моделирование сигнала и отклика детектора", – говорит Чжао.

К слову, неожиданную помощь в поиске тёмной материи может оказать сама природа. Эту субстанцию уже подозревали в том, что именно она порождает загадочное рентгеновское излучение скоплений галактик и избыток антиматерии вблизи Земли.