Уникалният експеримент Dark SRF отваря вратата към тъмната материя

Тъмните фотони са хипотетични частици, които може да са свързани с тъмната материя – мистериозно вещество, което съставлява 85% от цялата материя във Вселената. Съществуването им обаче все още не е потвърдено експериментално.

Учени от Националната ускорителна лаборатория „Ферми“ към Министерството на енергетиката на САЩ по време на експеримента Dark SRF демонстрираха безпрецедентната чувствителност на изследователското съоръжение, създадено за търсене на предполагаемите частици – тъмните фотони.

Учените „уловиха“ обикновени, масивни фотони в устройства, наречени свръхпроводящи радиочестотни резонатори, за да проследят прехода на тези фотони в техните предполагаеми тъмни аналози. Експериментът успя да създаде най-добрата в света система за ограничаване на съществуването на тъмни фотони в определен масов диапазон. Резултатите наскоро бяха публикувани във Physical Review Letters.

„Тъмният фотон е аналог на фотона, който познаваме и обичаме, но с някои разлики“, казва Рони Харник, изследовател в Центъра за свръхпроводящи квантови материали и системи във Фермилаб и съавтор на това изследване.

Тъмната материя, която съставлява 85% от цялата материя, е изпълнена с неизвестно вещество, което учените наричат „тъмни фотони“. Както електронът има копия, които се различават по някои параметри, включително мюон и тауон, така и тъмният фотон ще се различава от обикновения фотон и ще има маса. Теоретично, веднъж създадени, фотоните и тъмните фотони могат да се превръщат един в друг с определена скорост, зададена от свойствата на тъмния фотон.

При експеримента учените са използвали две кухи метални камери, за да открият трансформацията на обикновения фотон във фотон на тъмната материя. В едната камера се съхраняваха обикновени фотони, а другата е оставена празна. След това изследователите са търсили появата на фотони в празната камера.

Този експеримент е първият пример за използване на свръхпроводими радиочестотни резонатори за провеждането на такъв тип изследвания. Резонаторите, използвани в експеримента, са кухи късове ниобий. При свръхниски температури тези резонатори много ефективно съхраняват фотоните. Както и пакети електромагнитна енергия. За провеждането на експеримента Dark SRF учените са охладили експерименталните модули с помощта на течен хелий до температура около 2 К.

Сега учените могат да използват свръхпроводящи радиочестотни резонатори с различни резонансни честоти, за да покрият различни зони от потенциалния диапазон на масата на тъмните фотони.

„Експериментът Dark SRF проправи пътя за нов клас експерименти в Центъра SQMS, където тези резонатори с много висок Q-фактор се използват като изключително чувствителни детектори“, каза Анна Граселино, директор на Центъра SQMS и ръководител на експеримента. „От търсенето на тъмната материя, през изучаването на гравитационните вълни, до фундаменталните тестове на квантовата механика – тези камери с най-висока ефективност в света ще ни помогнат да открием една нова физика“.