Японські фізики запропонували використовувати гравітаційні детектори для пошуку частинок темної матерії. Передбачається, що при зіткненнях з гіпотетичними частинками дзеркала детекторів повинні трохи відхилятися. За словами вчених, за допомогою нового методу можна посилити обмеження на розсіювання легких темних частинок, маса яких не перевищує однієї п'ятої від маси протона. Препринт роботи доступний на сайті arXiv.org.
Коли крізь Землю проходить гравітаційна хвиля, всі її об'єкти практично непомітно розтягуються і стискаються. Наприклад, якщо хвиля була випущена при злитті двох чорних дір з масою порядку декількох мас Сонця, то відносна зміна довжини об'єктів складе близько 10 − 21. Відчути таке розтягнення за допомогою звичайних приладів практично неможливо, проте гравітаційні детектори LIGO і Virgo з цим завданням справляються. Кожен з цих інтерферометрів відчуває коливання довжини плечей, амплітуда яких не перевищує однієї сотої радіусу протона (близько 10 − 18 метра). Тому гравітаційні детектори - це одні з найбільш чутливих приладів, з якими коли-небудь працювали фізики.
Щоб досягти такої високої чутливості, фізики використовували в гравітаційних інтерферометрах кілька хитрих інженерних знахідок. По-перше, детектор відстежує коливання дзеркал не безпосередньо, а щодо зміни інтерференційної картини. По-друге, в кінці кожного плеча інтерферометра встановлені напівпрозорі дзеркала, які створюють всередині установки ще пару інтерферометрів і збільшують час курсування лазерного променя в кілька сотень разів. По-третє, щоб знизити вплив квантових шумів, вчені «стискають» світло, що курсує по ньому. Нарешті, щоб очистити гравітаційний сигнал від фонових шумів, всі три установки постійно звіряються між собою. Більш детально про роботу детекторів LIGO/Virgo і хитрощів, які допомагають їм реєструвати гравітаційні хвилі, можна прочитати в матеріалах «Тонше протона» і «Точилка для квантового олівця».
Група фізиків під керівництвом Масакі Морі (Masaki Mori) запропонувала використовувати неймовірну чутливість гравітаційних детекторів для пошуку частинок темної матерії - субстанції, яка забезпечує близько 20 відсотків маси Всесвіту. В основі нового методу лежить наступна ідея. Оскільки Земля рухається відносно центру галактики зі швидкістю близько 200 кілометрів на секунду, а гало темної матерії в першому наближенні нерухомо, нашу планету постійно продуває вітер з темних частинок. Якщо перетин взаємодії цих частинок з частинками звичайної матерії звичайно, то вони можуть стикатися з атомами дзеркала, передавати дзеркалу імпульс і спотворювати інтерференційну картину гравітаційного детектора. Отже, з сигналу детектора теоретично можна виділити обмеження на частоту таких зіткнень, переріз і масу темних частинок.
Щоб перевірити це припущення, вчені теоретично розглянули зіткнення темної частинки і циліндричного дзеркала. Взагалі кажучи, таке зіткнення може порушити два принципово різних типи коливань. По-перше, частинка підштовхує дзеркало і змушує його качатися (щоб знизити вплив вібрацій, дзеркала гравітаційного інтерферометра підвішують на тонких скляних нитках). По-друге, вона змушує його тремтіти, немов желе. Враховуючи склад і геометричні параметри дзеркал, встановлених у різних інтерферометрах (LIGO, Virgo, споруджуваного детектора KAGRA і гіпотетичного телескопа Ейнштейна), вчені оцінили форму сигналу, який виникає після зіткнення темної частинки і дзеркала. Для обох типів коливань сигнал виглядав як досить різкий пік, розташований на відповідній резонансній частоті.
Нарешті, використовуючи ці дані, фізики розрахували відношення сигнал/шум і оцінили параметри частинок, при яких детектори щось відчують. Виявилося, що чутливість нового способу перевершує попередні експерименти для частинок з масою менше 200 мегаелектронвольт (одна п'ята маси протона). Наприклад, при роботі з дзеркалами гіпотетичного телескопа Ейнштейна мінімальний переріз розсіювання, при якому детектор побачить темні частинки, знаходиться на рівні 10 − 35 квадратних сантиметрів, де - маса темної частинки в гігаелектронвольтах.
Хоча за останні двадцять років жоден детектор темної матерії не зловив гіпотетичні частинки, фізики продовжують покращувати існуючі експериментальні установки і розробляти нові. Втім, фокус цих розробок поступово зміщується в бік легких частинок темної матерії, для яких існуючі обмеження поки недостатньо жорсткі. Тільки за останній рік ми писали про три багатообіцяючих методики прямого детектування легких частинок темної матерії. У березні дослідники з США та Ізраїлю запропонували ловити гіпотетичні частинки за допомогою тонких надпровідних проводів. У червні та ж група придумала алмазний детектор, який одночасно може відстежувати відразу три типи легких частинок-кандидатів на роль темної матерії. А в квітні американські фізики розробили так звану «сніжкову камеру» - детектор з переохолодженою водою, яка замерзає, коли крізь неї пролітає гіпотетична легка частинка. Зауважимо, що новий експеримент, запропонований японськими вченими, теж націлений на легкі частинки, які не виникають у популярних теоріях темної матерії.
З іншого боку, деякі фізики засмутилися через невдачі в пошуках темної матерії і розробили теорії, в яких темні частинки в принципі неможливо зловити. Наприклад, у листопаді 2017 року американський фізик-теоретик Хуман Давудіазл припустив, що частинки темної матерії відштовхуються від Землі за рахунок невідомої п'ятої сили, яка проявляє себе тільки біля великих скупчень звичайної матерії. А в липні 2018 данські фізики показали, що підземні детектори темної матерії можуть упустити гіпотетичні частинки через екранування земною корою.