На лов за тъмна материя: Кристалите разкриват тайните на невидимото лепило на Вселената

Учени от Сингапур се доближиха до разгадаването на една от най-големите космически загадки. Екип от технологичния университет в Нанянг е разработил техника, която може да се превърне в основа за откриване на тъмна материя във Вселената и да помогне за разкриване на фундаменталните тайни на Вселената.

В съвременната астрофизика видимата материя, състояща се от звезди, планети и други небесни тела съставлява само малка част от всичко, което съществува в космоса.

Експертите смятат, че около 85% от материята във Вселената представлява невидима тъмна материя. Веществото, неразбираемо за съвременните уреди служи като гравитационно лепило, което предпазва галактиките от разпадане под въздействието на центробежните сили.

Терминът „тъмна материя“ придобива популярност в научните среди през 30-те години на 20-и век, когато астрономите се сблъскват с необяснимо явление: наблюдаваната материя в галактиките категорично не е достатъчна, за да създаде гравитационни сили. По-късно изследователите стигат до извода, че тъмната материя може да служи като самата фундаментална рамка, която определя процесите на образуване и еволюция на звездните формации.

Въпреки четирите десетилетия на интензивни търсения, откриването на тъмната материя остава най-трудният нерешен проблем на съвременната физика. Основната трудност се крие в естеството на самия обект на изследване: той не излъчва и не отразява светлина, няма електрически заряд и демонстрира изключително слабо взаимодействие с обикновената материя.

В търсене на елементите, които съставляват тъмната материя, физиците обръщат специално внимание на хипотетичните частици, наречени аксиони. Тяхната история започва през 1977 гoдина, когато Роберто Печеи и Хелън Куин предлагат теоретична концепция за решаване на фундаментален проблем във физиката на елементарните частици – силния CP-проблем.

Година по-късно учените Франк Вилчек и Стивън Уайнбърг, работещи независимо един от друг стигат до заключението, че концепцията на Печеи и Куин предполага съществуването на нова частица. Вилчек, проявявайки научното си остроумие, нарича частицата аксион по името на марка прах за пране, тъй като теоретично тя „изчиства“ несъответствията във физичните теории.

Съвременните космологични теории предполагат, че аксионите са възникнали в първите мигове от съществуването на Вселената, по време на бързото разширяване на пространството непосредствено след Големия взрив. Ако тези частици наистина съставляват по-голямата част от тъмната материя, откриването им е изключително трудно поради уникалните им свойства.

Сега екип от изследователи, ръководен от професор Джан Байле от Факултета по физически и математически науки към Нанянския технологичен университет предлага нов подход за откриване на аксиони.

Учените са създали специални кристални структури, базирани на изкуствен гранат – итриево-железен гранат, който има уникална комбинация от магнитни и оптични свойства и вече се използва в микровълнови радарни устройства и телекомуникационни системи.

Преди този пробив екипът на професор Жанг е работил със слоести кристални структури, чиито магнитни свойства са позволявали да се променя поведението на фотоните в материала. Първоначално целта на изследването е била да се симулират редки екзотични частици, но в хода на експериментите учените неочаквано откриват признаци, показващи възможното наличие на поведение, подобно на аксион.

Анализирайки теоретични разработки, свързващи аксионите с противоположно насочени магнитни полета, изследователите изказват хипотеза: фотоните в кристала могат да проявяват аксионни свойства, при условие че кристалните слоеве имат редуващи се магнитни характеристики. Тази идея е в основата на по-нататъшни експерименти.

По време на лабораторните тестове е регистрирано уникално явление: фотоните се движат в една посока по триизмерните повърхности на кристалната структура – както в хоризонтална и вертикална равнина, така и встрани без ефект на обратно разсейване. Теоретичните модели предвиждат точно такова поведение за аксионите.

Предишните експерименти в тази област се ограничаваха до наблюдение на частици в двуизмерното пространство. Изследователите се опитаха да докажат, че електроните могат да се движат като аксиони, но регистрираха такава активност само в две измерения, което не позволи да се получи пълна картина на възможните свойства на тъмната материя.

Според теоретичните прогнози реалните аксиони са способни да се трансформират във фотони под въздействието на мощно магнитно поле от 10 Тесла. За сравнение, това поле е 10 пъти по-мощно от индустриалните електромагнити, използвани в пунктовете за вторични суровини за вдигане на метален скрап. Процесът на превръщане на аксиони във фотони обаче се характеризира с изключително ниска ефективност, поради което регистрирането на получените сигнали е много, много трудно.

За бъдещи експерименти за търсене на истински аксиони учените планират да подобрят конструкцията на кристалите и да ги използват в условия на изключително силни магнитни полета.

Такива експерименти ще изискват значителни средства и сложно техническо оборудване, но биха могли да доведат до революционни резултати в разбирането на природата на тъмната материя.

Освен фундаменталното си значение за космологията, изследването открива нови перспективи и в други области. Например, способността на кристалите да насочват фотоните стриктно в една посока по своите повърхности, без да променят траекторията може да подобри качеството на предаване на данни в телекомуникационните системи.

Особено важно свойство на кристалните структури е тяхната устойчивост на дефекти: дори при наличие на несъвършенства в решетката фотоните запазват посоката си на движение. По този начин можем да създадем по-надеждни квантови компютри с намалени изчислителни грешки.

Професор Янис Семерцидис от Корейския институт за модерни технологии, признат експерт в областта на изследванията на аксионите похвали работата на сингапурските си колеги. Според него разработените кристални структури с уникални вътрешни магнитни полета са идеален инструмент за откриване на аксиони и могат да се превърнат в основен метод за търсене на тъмна материя в обозримо бъдеще.

В проекта участваха учени от водещи изследователски центрове в цял свят, сред които Университетът в Шербрук (Канада), Институтът по химическа физика на твърдото тяло „Макс Планк“ (Германия), ETH Цюрих (Швейцария), Международният център по физика в Сан Себастиан, Университетът на Страната на баските, Баската научна фондация (Испания), както и няколко китайски университета, сред които Технологичният университет в Донгуан, Университетът в Нанкин, Южният университет по наука и технологии, Университетът по електронни науки и технологии на Китай и Университетът в Уестлейк.