Тайны темной материи и темной энергии: нейтроны содержат ключ?

Темная материя является невидимым веществом, составляющим, как считается, 5/6 всей материи во Вселенной. Сила ее притяжения, по-видимому, помогает сохранить галактики вращающимися отдельно друг от друга на скоростях, на которых они кружатся.

С другой стороны, темная энергия является таинственным материалом, который, как ученые считают, толкает Вселенную в стороны, поднимая скорость, с которой космос расширяется. Исследователи предполагают, что темная энергия может составлять около 70 процентов Вселенной.

В целом, частицы, известные науке, составляют только около 5 процентов от массы и энергии Вселенной. Темная материя и темная энергия на самом деле остаются загадкой, но физики предложили много потенциальных объяснений для обоих.

Один из кандидатов в темную материю представляет собой набор частиц, известных как аксионы. Физики-теоретики первоначально предложили, что аксионы помогут решить головоломку о сильном ядерном взаимодействии, которое связывает протоны и нейтроны вместе в атомных ядрах.

Возможное объяснение темной энергии включает теории квинтэссенции, названные в честь "квинтэссенции" Аристотеля, пятого элемента в дополнение к четырем классическим – воздуху, огню, земле и воде. Эти теории предполагают, что неизвестное поле, которое взаимодействует с материей, пронизывает, казалось бы, пустое пространство. Известные кандидаты квинтэссенции включают хамелеоны, которые растут слабее вокруг относительно плотных объектов, таких как планеты и звезды, потенциально объясняя, почему исследователи не обнаружили эти поля.

Если новые виды частиц или дополнительные силы природы существуют, исследователи могли бы наблюдать их в любом месте, в том числе на Земле. Нейтроны идеально подходят для такого рода исследований; так как они не переносят электрический заряд, они находятся под влиянием только силы тяжести, и, возможно, дополнительных, в настоящее время неизвестных, частиц и сил.

Ученые разработали чрезвычайно чувствительный инструмент для контроля за движением нейтронов в гравитационном поле Земли. Этот метод основан на нейтронах, охлажденных до -253° С, собранных из сильнейшего непрерывного источника ультра-холодных нейтронов в мире в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция.

Нейтроны движутся со скоростью менее 28,8 км/ч в вакууме между двумя горизонтальными пластинами из хорошо полированного стекла, отражающего частицы. Исследователи заставляют "зеркала" вибрировать 280 раз в секунду, передавая нейтроны с конкретным количеством энергии.

Нейтронный детектор анализирует энергию нейтронов, когда они выходят из пространства между зеркалами. Ученые знают, сколько энергии нейтроны должны иметь, когда они чувствуют тяжесть Земли. Если ученые находили любое несоответствие в энергии нейтронов, оно могло исходить от темной энергии или темной материи, взаимодействующей с этими нейтронами.

Исследователи измерили влияние гравитации на нейтроны с чувствительностью в 100 000 раз больше, чем в предыдущих экспериментах. Они не обнаружили никаких отклонений от устоявшегося закона тяготения Ньютона.

Улучшение чувствительности этих экспериментов может помочь подтвердить или опровергнуть существование хамелеонов.