Темная материя невидима, но, по мнению ученых, составляет большую часть массы Вселенной. Одна из теорий предполагает, что ультралегкая темная материя ведет себя как непрерывная волна, которая может создавать ритмичные силы. Уловить их можно только с помощью сверхчувствительных квантовых приборов.

24 июня Американское физическое общество опубликовало в издании Physical Review исследование под руководством физика Райсского университета Кристофера Таннелла и его коллеги Дориана Амарала. Ученые впервые попытались обнаружить ультралегкую темную материю с помощью левитирующей частицы. Вместе с физиками из Лейденского университета они подвесили микроскопический неодимовый магнит в сверхпроводящей камере, охлажденной почти до абсолютного нуля. Установка должна была зафиксировать слабые колебания — возможно, вызванные волнами темной материи, проходящими сквозь Землю.

Наш подход открывает новый способ поиска темной материи, — говорит Таннелл. — Мы подвесили крошечный магнит в среде без трения, и если что-то его толкнет, он сможет свободно двигаться.

Исследователи следили за левитирующим магнитом с невероятной точностью — датчики фиксировали движения меньше ширины атома водорода. Но ожидаемого сигнала не обнаружили. Однако этот «нулевой» результат помог исключить один из возможных типов взаимодействия темной материи с обычной.

Ученые искали силы, возникающие из-за разницы в барионном и лептонном числах — это что-то вроде «заряда», который сохраняется при взаимодействии частиц. Они сосредоточились на узком диапазоне частот около 26,7 Гц и установили новые ограничения на силу таких взаимодействий.

Барuонное число (B) — это «счетчик» частиц вроде протонов и нейтронов. В любой реакции их общее количество сохраняется. Например, если сталкиваются два протона, на выходе их может стать три, но „баланс“ все равно сойдется за счет других частиц.

Каждый раз, когда мы не находим темную материю, мы сужаем область поиска, — объясняет Таннелл. — Это как искать потерянный ключ: если его нет в одной комнате, вы идете в другую.

Теперь команда планирует эксперимент Polonaise  (название — отсылка к танцу, который физики исполнили на климатическом протесте, когда поняли, что такой метод возможен). В новой установке будут более тяжелые магниты, стабильная левитация и расширенный диапазон частот.

Мы не просто проверяем теорию, а создаем основу для целого класса измерений, — говорит Амарал. — Магнитная левитация дает нам принципиально новый инструмент, чтобы задавать Вселенной важные вопросы.

Чувствительность установки сравнима с весом одного вируса — это открывает путь к обнаружению слабых сил, действующих на огромных расстояниях.

Практическая ценность работы — не только в поиске темной материи. Технологии сверхточного контроля левитирующих объектов пригодятся в квантовых вычислениях, наносенсорах и даже в создании новых материалов. Если метод удастся масштабировать, он может привести к прорывам в прецизионных измерениях — например, в гравитационной астрономии или при поиске «пятой силы» природы.

Главный недостаток — узкий частотный диапазон. Темная материя может проявляться иначе, а установка «не услышит» сигналы за пределами 26,7 Гц. Кроме того, левитация в сверхпроводнике требует экстремальных условий (почти абсолютный ноль), что усложняет применение технологии вне лабораторий.

Ранее ученые нашли темную материю на удалении 13 млрд световых лет.