Детектор темной материи зарегистрировал первые сигналы

Исследователи из Центра компетенций в области физики темной материи и Университета Западной Австралии создали детектор гравитационных волн нового типа. Недавно инструмент зафиксировал два редких события, которые могут быть сигналами темной материи. Альтернативное объяснение: это сигналы первичных черных дыр или даже проявление внешних помех.

Добавим, что эти сигналы не могут поймать большинство существующих детекторов гравитационных волн. Они никогда ранее и не регистрировались. Сообщение о полученных результатах ученые опубликовали в научном журнале Physical Review Letters.

Гравитационные волны – это изменения гравитационного поля, распространяющиеся по космическому пространству в виде волн на полотне пространства-времени. Они появляются из-за движения массивных объектов, к примеру, черных дыр.

Существование гравитационных волн было предсказано общей теорией относительности более века назад. Обнаружить же эти очень слабые возмущения при помощи специальных ультрачувствительных детекторов физикам удалось только в 2015 году, за что в 2017 году они получили Нобелевскую премию по физике.

Зафиксированные в 2015 году гравитационные волны были сигналом от массивной черной дыры, получившейся в результате слияния двух более маленьких черных дыр.

С 2015 года детекторы не раз регистрировали сигналы от гравитационных волн. Однако, по словам австралийских ученых (авторов нового детектора), нынешнее поколение детекторов гравитационных волн способно улавливать только низкочастотные волны. Способы обнаружения высокочастотных гравитационных волн остаются неизученным и чрезвычайно сложным направлением в астрофизике, отмечается в пресс-релизе Университета Западной Австралии.

Как раз для регистрации высокочастотных гравитационных волн и был создан детектор в Центре компетенций в области физики темной материи. Детектор представляет собой резонатор объемных акустических волн на основе кристалла кварца – кварцевого генератора.

Диск из кварца колеблется с высокой частотой, когда через него проходят акустические волны. Обладающий пьезоэлектрическими свойствами кристалл кварца превращает акустические колебания в электрический заряд. Этот заряд принимают две электропроводящие пластины, прижатые к кварцевому диску. Они передают электрический сигнал сверхпроводящему квантовому интерференционному устройству, которое этот сигнал усиливает, чтобы его мог уловить детектор.

Вся эта конструкция помещается внутри нескольких радиационных экранов, которые защищают ее от помех в виде внешнего электромагнитного излучения, и охлаждается почти до абсолютного нуля. Такой детектор может обнаруживать сигналы от гравитационных волн с частотами в мегагерцовом диапазоне.

Австралийские ученые испытывали свой детектор в течение 153 дней. Такой была общая продолжительность двух сеансов эксперимента, которые исследователи провели в мае и ноябре 2019 года.

Во время этих сеансов новый детектор гравитационных волн и зафиксировал два редких высокочастотных события. Сигналы частотой около пяти мегагерц были зарегистрированы 12 мая и 27 ноября.

Откуда поступили эти сигналы, пока остается неизвестным, но ученые предполагают, что с их детектором таким образом повзаимодействовали кандидаты в темную материю – частицы, которые теоретики именуют вимпами.

Впрочем, не исключено, что полученный детектором сигнал является вовсе не гравитационной волной, а проявлением присутствия заряженных частиц или накопления механического напряжения в детекторе, или метеоритным событием, или внутренним атомным процессом кристалла, говорят авторы детектора.

Несмотря на отсутствие определенности по поводу полученных сигналов, ученые из Центра компетенций в области физики темной материи и Университета Западной Австралии полны оптимизма.

"В ходе этой работы мы впервые продемонстрировали, что эти устройства могут использоваться в качестве высокочувствительных детекторов гравитационных волн, – говорит Майкл Тобар (Michael Tobar) из Университета Западной Австралии. – Этот эксперимент – один из двух, проводимых в настоящее время в мире по поиску высокочастотных гравитационных волн на этих частотах, и у нас есть планы расширить возможности нашего детектора до еще более высоких частот, чего раньше не было ни в одном другом эксперименте".

Ученые подчеркивают, что развитие примененной ими технологии потенциально может обеспечить первое обнаружение гравитационных волн на столь высоких частотах.

В следующем эксперименте исследователи собираются использовать такой же кварцевый детектор вместе с мюонным детектором космических частиц.