Чи антиматерія і темна матерія пов’язані?

Новий експеримент міг би розв’язати одразу дві найбільші загадки фізики – природу темної матерії та брак антиматерії. Відправним моментом для вчених стало питання, чи темна матерія діє на античастинки інакше, ніж на нормальну матерію. Це фізики з дослідницького центру ЦЕРН дослідили на антипротонах. Дотепер асиметрії вони не знайшли, але вимірювання тільки почалися.

Фізик Стефан Улмер впрацює над експериментом симетрії BASE в ЦЕРН. Зображення: Maximilien Brice / CERN.

Темна матерія – прадавня, присутня у всьому космосі, навіть у нашій Сонячній системі. Проте її природа залишається нез’ясованою. Досі цілком незрозуміло, з яких частинок вона складається. Всі кандидати – чи тяжкі Вімпи чи Сіпми, легкі аксіони, стерильні нейтрино чи навіть «темні фотони» – дотепер залишаються суто гіпотетичниим.

Але є ще один вид матерії, над яким учені ламають собі голову, – антиматерія. Після Великого вибуху її виникло приблизно стільки ж, скільки й нормальної матерії, але в сучасному космосі домінує матерія. Чому ж? Уже впродовж десятиліть науковці шукали асиметрію у поведінці чи ознаках, які би пояснили, чому матерія переважає, – але однозначного свідчення дотепер не знайшли.

Але зараз з’явився новий дослідницький підхід, що може розгадати дві таємниці зразу – якщо принесе відповідні результати. «Вперше ми шукаємо виражену взаємодію між темною матерією та антиматерією, – пояснив провідний автор розвідки Крістіан Сморра (Christian Smorra) з Дослідницького інституту RIKEN. Якщо темна матерія діє на антиматерію інакше, ніж на нормальну, це могло б бути тією асиметрією, яку так довго шукають, – і водночас це би надало цінні свідчення про природу темної матерії.

Отже, вчені на дослідницькому центрі ЦЕРН розпочали експеримент з антипротонами. Вони закрили античастинки у магнітній пастці Пеннінга і заставили їх, маніпулюючи магнітним впливом, змінювати свій спін. Частота, при якій відбувається ця переорієнтація, зазвичай змінюється з регулярною циклічністю – вона демонструє так звану прецесію.

Тут входить у гру темна матерія: якщо вона діє на антиматерію сильніше, це би проявилося на прецесії антипротонового спіну. «Потенційні частинки темної матерії ми розглядаємо класичним полем з визначеною довжиною хвиль, – пояснив Сморра. – Ці хвилі постійно проходять через наш експеримент і періодично змінюють фактично постійну частоту прецесії антипротонового спіна у магнітному полі».

Якщо в експерименті проявиться таке відхилення, це означатиме дві речі: передусім, це стало б доказом того, що темна матерія впливає на антиматерію інакше, ніж на матерію, – асиметрія, яку так довго шукали, була б зафіксована. По-друге, конкретні показники могли б допомогти обмежити масу та енергію ще невідомих частинок темної матерії. Це знадобиться, щоб звузити поле кандидатів. Перші цикли цього експерименту Сморра і його команда вже здійснили на основі проекту BASE (The Baryon Antibaryon Symmetry Experiment), що на ЦЕРН.

Результат: досі вчені не можуть визначити жодного впливу темної матерії на спін антипротонів – принаймні не у тій частотній ділянці, в якій вони шукають. Але вони ще далеко від завершення експерименту, коли будуть перевірені всі частотні ділянки, наголошують науковці.

І врешті «відсутність результату» також буде важливою, адже дасть підстави відкинути певні діапазони маси для темної матерії. «Завдяки чутливості нашого експерименту ми визначили нову верхню межу сили потенційної взаємодії темної матерії і антиматерії, – пояснив Штефан Ульмер (Stefan Ulmer), речник BASE-колаборації на ЦЕРН. – При цьому ми перевищили чутливість астрофізичних спостережень приблизно на п’ять порядків».

У майбутньому науковці хочуть покращити точність вимірювання частоти спінової прецесії. Для цього розробляють нові методи охолодження протонів та антипротонів. Інша група напрацьовує нові методи для квантово логічної спектроскопії спінів антипротона. Крім того, вчені пропонують здійснити цей експеримент і з іншими античастинками, зокрема позитронами і антимюонами.

Зоюраження: NASA/ESA, CXC, M. Bradac/ S. Allen.