Физики изобрели "сачок" для ловли темной материи 

Международная команда физиков разработала уникальный двумерный материал на основе соединения марганца, висмута и теллура. Главная особенность этого материала в том, что он должен излучать свет при взаимодействии с гипотетическими аксионами. Так ученые называют частицы, являющиеся одними из наиболее вероятных кандидатов на роль легкой формы таинственной темной материи, составляющей значительную часть массы Вселенной. 

Космический сачок

Как сообщили в пресс-службе Королевского колледжа Лондона (KCL), новый материал станет ключевым элементом принципиально нового типа детектора, способного улавливать следы аксионов, пронизывающих космическое пространство. Это устройство можно сравнить с мелкоячеистым сачком, которым ученые планируют “прочесать” Вселенную в поисках темной материи. 

В основе этого революционного "космического сачка" лежит вышеупомянутая двумерная структура, состоящая из тончайших слоев теллурида висмута и марганца. Этот экзотический материал обладает целым спектром необычных магнитных, квантовых и оптических характеристик. Одной из ключевых особенностей его кристаллической решетки является способность к спонтанному нарушению сразу двух фундаментальных физических симметрий — по четности (пространственной инверсии) и времени (изменению направления времени). Именно это двойное нарушение симметрии, как объясняют физики, позволяет создавать внутри кристаллов теллурида висмута и марганца устойчивые коллективные возбуждения, которые по своим фундаментальным свойствам удивительно напоминают гипотетические аксионы. 

Неудачные попытки

Ранее ученые уже предпринимали попытки искусственного создания подобных квазичастиц-аналогов аксионов в других экзотических материалах, однако во всех предыдущих случаях генерируемые колебания оказывались слишком слабыми и нестабильными для проведения детальных исследований и, тем более, для использования в качестве инструмента поиска настоящих частиц темной материи.  

Детекция аксионов

Ключевым прорывом стало обнаружение того факта, что квантовые колебания, имитирующие аксионы, могут быть значительно усилены при переходе от трехмерной к двумерной форме теллурида висмута и марганца, состоящей всего из нескольких атомных слоев. Проведенные экспериментальные исследования показали, что такие аксион-подобные квазичастицы могут быть эффективно детектированы путем присоединения электродов к тонкой пленке материала и пропускания через нее электрического тока. Возникающие при этом колебания могут быть с высокой точностью зарегистрированы с помощью прецизионных лазерных систем и атомно-силовых микроскопов.  

Самым интригующим аспектом разработанной технологии является принцип прямой детекции аксионов. Согласно заявлениям исследователей, если настоящий аксион, обладающий свойствами, аналогичными созданным квазичастицам, попадет в активную область детектора, это приведет к возникновению слабой, но вполне регистрируемой вспышки света. 

В поисках экзотической материи

Этот феномен открывает принципиально новую возможность для поиска легких форм темной материи в широком диапазоне масс — от 0,01 до 0,1 электронвольт (эВ), область, которая в настоящее время остается практически неисследованной с помощью существующих детекторов. Оптимизм ученых подкрепляется их оценками, согласно которым разработанная технология уже в ближайшие 15 лет может дать однозначный ответ на фундаментальный вопрос о существовании аксионов с подобными массами, на что указывают многочисленные астрофизические наблюдения, свидетельствующие о наличии в космосе невидимой массы, гравитационно взаимодействующей с обычной материей.  

Несмотря на многолетние усилия, прямые поиски так называемой "тяжелой" темной материи пока не принесли убедительных результатов. Это обстоятельство подтолкнуло космологов к активному изучению альтернативных гипотез, предполагающих, что темная материя может состоять из гораздо более легких частиц — аксионов. Эти гипотетические частицы по своей массе и некоторым свойствам напоминают нейтрино, однако взаимодействуют с обычной материей крайне слабо, что и обуславливает трудности их обнаружения.