Как сейчас изучают темную материю?

Составляют карты распределения ее массы. Помимо вращения галактик, в этом астрофизикам помогает гравитационное линзирование. Представьте, что вы наблюдаете за далекой звездой в телескоп и видите вокруг нее светящийся ореол или раздвоение. Это происходит, потому что свет далекой звезды поступает не напрямую в телескоп, а по пути взаимодействует с неким невидимым объектом и искривляется. В результате свет звезды обходит объект по дуге с двух сторон. Это напоминает принцип работы линз, например, в обычных очках, только в нашем случае эту роль играет масса объекта — в основном темная материя. Зная количество и массу видимых объектов вроде галактик и звезд, расстояние до объекта-линзы и наблюдаемой звезды, а также посчитав степень отклонения изображения, ученые могут вычислить распределение массы темной материи.

По данным исследований, темная материя составляет примерно 80% Вселенной, тогда как видимая материя вроде планет и галактик — только 20%. Значения не окончательные ― наблюдения за звездами и галактиками проводятся постоянно, поэтому цифры постепенно уточняются. Так, например, недавно по данным телескопа Gaia было установлено, что масса темной материи в Млечном Пути вдвое меньше, чем считалось ранее. Причем ученые отслеживают не только каждый космический объект по отдельности, но и формируют общую статистику, которую можно экстраполировать на всю Вселенную.

Пытаются определить, из каких частиц состоит материя. Существуют разные модели, которые могут объяснить, из чего и как устроена темная материя. Вот две наиболее популярные версии.

• WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, или слабо взаимодействующая массивная частица) — это тяжелые частицы, которые взаимодействуют друг с другом только через гравитацию. Понятие предложил американский космолог Майкл Тернер в 1986 году.
• Аксионы — легкие частицы, существование которых в 1970-е годы предсказали нобелевские лауреаты Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг. Аксионы слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут превращаться в фотоны в сильном магнитном поле.

Однако пока ни одна из этих гипотетических частиц не была обнаружена в лабораториях или астрофизических наблюдениях.

Чтобы поймать частицы темной материи, ученые со всего мира проводят эксперименты, используя разные технологии:

• Пытаются уловить частицы с помощью чувствительных детекторов, которые расположены в подземных лабораториях. По задумке, толща земли должна остановить все частицы, поступающие из космоса, кроме частиц темной материи. Проникнув в подземную лабораторию, частицы темной материи попадают в специальный цилиндр, в котором хранится благородный газ (ксенон или аргон). В нем частица взаимодействует с газом, ионизирует его, а сама распадается на видимые частицы — фотоны. События, происходящие в цилиндре, регистрирует детектор. По характеристикам реакции он может определить, была ли попавшая частица связана с темной материей.
• Используют коллайдеры. Это огромные устройства, которые ускоряют до околосветовой скорости пучки заряженных частиц — электроны, протоны и ионы и заставляют их сталкиваться друг с другом. Ученые предполагают, что в результате столкновения могут родиться еще неизвестные науке частицы, в частности связанные с темной материей. В 2012 году по итогам экспериментов на Большом адронном коллайдере ученые ЦЕРН обнаружили бозон Хиггса — неделимую частицу, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц. Бозон Хиггса стал последним недостающим элементом в стандартной модели — теории, которая описывает частицы микромира.
• Проводят прецизионные эксперименты с частицами в электромагнитных ловушках. В таких ловушках можно удерживать и контролировать отдельные электроны, атомы и молекулы в течение длительного времени. Это позволяет с точностью на уровне одной триллионной измерить частоты колебаний атома, из которых можно определить его свойства, например, магнитный момент. А современная квантовая теория позволяет вычислить этот магнитный момент примерно с такой же высокой точностью. Если темная материя каким-то образом взаимодействует с обычной материей, пусть даже очень слабо, она должна вызвать отклонение магнитного момента от предсказанного значения. Сравнение теории и эксперимента дает шанс обнаружить это отклонение и таким образом увидеть проявление темной материи.

А какими исследованиями в этой области занимаются в ИТМО?

В ИТМО есть несколько научных групп, которые занимаются исследованием частиц темной материи. Среди них ― команда доцента физического факультета, руководителя фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» Максима Горлача. Ученые принимают участие в международном консорциуме по поиску космических аксионов. А вместе с нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком недавно описали метаматериал, который может стать платформой для тестирования свойств аксионов. Это искусственно созданные материалы, чьи электромагнитные свойства определяются химическим составом и структурой. В метаматериале квазичастицы проявляют те же свойства, что и гипотетические аксионы.

А научная группа профессора физического факультета ИТМО Андрея Волотки с помощью высокоточного вычисления диаграмм квантовой электродинамики  предсказывает магнитный момент атомных систем. Это величина, которая характеризует магнитные свойства вещества, другими словами, его способность создавать и воспринимать магнитное поле. Измерение этого параметра важно как для электрона, так и для различных атомов. Физики-теоретики постоянно высчитывают более точное значение с поправками определенного порядка, а физики-экспериментаторы проверяют расчеты на высокоточных экспериментах. Например, для свободного электрона сейчас получены поправки пятого порядка.

Расчёты для атомов намного сложнее, но позволяют получить больше информации при сравнении с экспериментом. Чем точнее будут измерения и вычисления, тем больше шанс заметить отклонение, которое может свидетельствовать о существовании новой частицы, в частности связанной с темной материей.