Ученые все ближе подходят к разгадке одной из главных тайн Вселенной — природы темной материи и темной энергии, которые составляют около 95% космоса. Несмотря на значительный прогресс в астрономии и физике, привычная материя, из которой состоят звезды, планеты и все видимое вокруг нас, занимает лишь около 5% общей структуры Вселенной, пишет ScienceDaily.
Экспериментальный физик элементарных частиц доктор Рупак Махапатра из Техасского университета A&M работает над тем, чтобы пролить свет на эту «скрытую» часть космоса. Его исследования сосредоточены на разработке передовых полупроводниковых детекторов, оснащенных криогенными квантовыми сенсорами. Эти технологии используются в международных экспериментах и позволяют фиксировать крайне редкие взаимодействия частиц темной материи с обычным веществом.
Махапатра сравнивает нынешнее понимание Вселенной с притчей о слепцах и слоне: «Это похоже на попытку описать слона, прикоснувшись лишь к его хвосту. Мы чувствуем нечто огромное и сложное, но осознаем лишь малую часть целого».
Недавно работа Махапатры и его соавторов была опубликована в авторитетном научном журнале Applied Physics Letters.
Темная материя и темная энергия получили свои названия именно потому, что ученым пока неизвестна их природа. Темная материя составляет большую часть массы галактик и их скоплений, играя ключевую роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной. Темная энергия, в свою очередь, отвечает за ускоренное расширение космоса. Проще говоря, темная материя действует как своего рода «космический клей», а темная энергия заставляет пространство расширяться все быстрее.
Несмотря на свое преобладание, ни темная материя, ни темная энергия не излучают, не поглощают и не отражают свет, что делает их прямое наблюдение крайне сложным. Ученые изучают их косвенно — по гравитационному воздействию на движение галактик и формирование крупных структур. По современным оценкам, около 68% энергии Вселенной приходится на темную энергию и примерно 27% — на темную материю.
В лабораториях Техасского университета A&M команда Махапатры разрабатывает детекторы с исключительной чувствительностью. Эти приборы предназначены для регистрации частиц, которые взаимодействуют с обычным веществом крайне редко — иногда всего один раз в год или даже реже.
Одним из направлений работы стала международная программа поиска темной материи с использованием детектора TESSERACT, в которой участвует ограниченное число научных центров по всему миру, включая Texas A&M. По словам Махапатры, ключевая задача заключается в том, чтобы «усилить сигналы, которые раньше тонули в шуме».
Текущие исследования опираются на более чем 25-летний опыт ученого в развитии технологий регистрации частиц. В рамках эксперимента SuperCDMS Махапатра участвовал в создании одних из самых чувствительных установок для поиска темной материи. В 2014 году в журнале Physical Review Letters он и его коллеги представили метод калориметрического ионизационного детектирования с использованием напряжения, что позволило изучать низкомассивные WIMP-частицы — одного из основных кандидатов на роль темной материи.
В 2022 году Махапатра стал соавтором исследования, посвященного различным подходам к поиску WIMP — от прямого и косвенного обнаружения до экспериментов на ускорителях. Ученые подчеркивают, что только сочетание разных методов может приблизить к решению этой фундаментальной задачи.
По словам исследователя, изучение темной материи выходит далеко за рамки академического интереса. Ее обнаружение может привести к открытию новых фундаментальных законов физики и, возможно, к созданию технологий, о которых сегодня можно лишь догадываться.