Ключ к Вселенной? Новое открытие может стать разгадкой тайны темной материи

Вселенная, которую мы видим, — это лишь верхушка айсберга. Звезды, планеты, галактики — всё это составляет лишь малую часть того, что есть на самом деле. По оценкам ученых, около 85% материи во Вселенной скрыто от наших глаз, прячась под загадочным названием «темная материя». Это не просто какая-то неуловимая субстанция, а скорее невидимый каркас, удерживающий галактики вместе и влияющий на их формирование и эволюцию. Но как же её поймать, если она не излучает и не отражает свет?

Тёмный клей Вселенной: загадка, которую нужно разгадать

Сам термин «темная материя» появился еще в 30-х годах прошлого века, когда стало понятно, что гравитационного воздействия видимых объектов недостаточно, чтобы объяснить стабильность вращающихся галактик. Представьте себе карусель: если у неё нет креплений, она просто разлетится на части. То же самое должно происходить и с галактиками, но что-то удерживает их в целости. Это «что-то» и есть темная материя.

Поиск темной материи — это не просто академическая задача. Это попытка ответить на фундаментальные вопросы о том, как устроена Вселенная, как она возникла и куда движется. Но как поймать то, что невидимо? Как измерить то, что не взаимодействует с обычными инструментами?

Аксион: главный подозреваемый

Среди множества гипотетических частиц, претендующих на роль компонентов темной материи, аксион выделяется как один из наиболее перспективных кандидатов. История его «открытия» довольно занятна. В 1977 году физики предложили концепцию, чтобы решить некую «головоломку» в физике элементарных частиц. А уже год спустя, другие ученые осознали, что эта концепция подразумевает существование новой частицы, которую они окрестили аксионом. Кстати, название взяли от марки стирального порошка, намекая на то, что эта частица способна «устранить» нестыковки в теории.

Предполагается, что аксионы образовались в первые моменты после Большого взрыва, в процессе расширения Вселенной. Но если они действительно существуют и являются основой темной материи, то обнаружить их будет крайне непросто. Теория говорит, что аксионы могут превращаться в фотоны (частицы света) под воздействием мощного магнитного поля, но этот процесс крайне неэффективен, и сигналы получаются очень слабыми.

Сингапурский прорыв: игра с фотонами

И вот, сингапурские ученые из Наньянского технологического университета (NTU) сделали, казалось бы, невозможный шаг вперед. Они пошли не по пути усиления слабых сигналов, а по пути поиска «двойников» аксионов. Вместо того, чтобы пытаться поймать сами аксионы, они задались целью найти частицы, которые могли бы вести себя подобно аксионам. И они нашли их, причем не где-нибудь, а среди обычных фотонов.

В ходе экспериментов с специально разработанными кристаллическими структурами, исследователи обнаружили, что фотоны, проходя через эти кристаллы, начинают двигаться так, как это предсказывает теория для аксионов. Эта работа стала своеобразным «маяком» для дальнейших исследований. Ученым удалось создать своего рода «модель» аксиона, изучая которую, они смогут лучше понять, как работает их неуловимый прототип.

Как это работает?

Ключевым моментом здесь являются разработанные кристаллические структуры, состоящие из искусственного граната — иттриево-железного граната. Этот материал обладает уникальными магнитными и оптическими свойствами. Внутри этой структуры фотоны начинают перемещаться по трехмерным краям, как это ожидается и для аксионов, что отличает их от других частиц, которые ведут себя похоже в двух измерениях.

Дальнейшие перспективы

Открытие, сделанное сингапурскими учеными, — это не финальная точка в гонке за темной материей, а скорее ее важный промежуточный этап. Теперь, имея «образец» аксионного поведения, ученые смогут разрабатывать более эффективные методы их обнаружения. Возможно, в будущем, эти же кристаллические структуры будут использоваться для усиления слабых сигналов от преобразованных аксионов, и мы, наконец, сможем увидеть тень, которую так долго искали.

Это открытие — еще одно доказательство того, что Вселенная полна тайн, и разгадать их можно только путем неустанного поиска и смелых экспериментов. В конечном итоге, понимание природы темной материи может изменить наше представление о фундаментальных законах физики и о нашем месте во Вселенной.