Вселенная в основном состоит из нового вещества и формы энергии, которые еще не изучены. Эта «темная материя» и «темная энергия» не видны невооруженным глазом или в телескоп. Астрономы могут предоставить доказательства их существования только косвенно, основываясь на форме галактик и динамике Вселенной.
Темная материя взаимодействует с нормальной материей через гравитационную силу, которая также определяет космические структуры нормальной видимой материи.
Пока неизвестно, взаимодействует ли темная материя сама с собой или с нормальной материей посредством трех других фундаментальных сил – электромагнитной силы, слабой и сильной ядерной силы – или некоторой дополнительной силы.
Даже очень сложные эксперименты до сих пор не смогли обнаружить такое взаимодействие. Это означает, что если он вообще существует, он должен быть очень слабым.
Чтобы пролить больше света на эту тему, ученые по всему миру проводят различные новые эксперименты, в которых действие негравитационных фундаментальных сил происходит с минимально возможным внешним вмешательством, а затем действие точно измеряется. Любые отклонения от ожидаемых эффектов могут указывать на влияние темной материи или темной энергии.
Некоторые из этих экспериментов проводятся с использованием огромных исследовательских машин, таких как те, что находятся в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований в Женеве. Но лабораторные эксперименты, например, в Дюссельдорфе, также возможны, если они рассчитаны на максимальную точность.
Команда, работающая под руководством проф. Стефан Шиллер из Института экспериментальной физики HHU представил результаты прецизионного эксперимента по измерению электрической силы между протоном («p») и дейтроном («d») в журнале Nature. Протон – это ядро атома водорода (H), более тяжелый дейтрон – это ядро дейтерия (D) и состоит из протона и нейтрона, связанных вместе.
Дюссельдорфские физики изучают необычный объект HD +, ион частично дейтерированной молекулы водорода.
В этом ионе отсутствует один из двух электронов, обычно содержащихся в электронной оболочке. Таким образом, HD + состоит из протона и дейтрона, связанных вместе всего одним электроном, который компенсирует электрическую силу отталкивания между ними.
Это приводит к определенному расстоянию между протоном и дейтроном, называемому «длиной связи».
Чтобы определить это расстояние, физики HHU измерили скорость вращения молекулы с точностью до одиннадцати цифр, используя метод спектроскопии, который они недавно разработали. Исследователи использовали концепции, которые также актуальны в области квантовой технологии, такие как ловушки частиц и лазерное охлаждение.
Чрезвычайно сложно определить длину связи из результатов спектроскопии и, таким образом, определить силу силы, действующей между протоном и дейтроном.
Это потому, что эта сила обладает квантовыми свойствами. Здесь необходимо использовать теорию квантовой электродинамики (КЭД), предложенную в 1940-х годах.
Член группы авторов потратил два десятилетия на продвижение сложных вычислений и недавно смог предсказать длину связи с достаточной точностью.
Этот прогноз соответствует результату измерения. Из соглашения можно вывести максимальную силу модификации силы между протоном и дейтроном, вызванной темной материей.
Проф. Шиллер комментирует: «Моя команда снизила этот верхний предел более чем в 20 раз.
Мы продемонстрировали, что темная материя гораздо меньше взаимодействует с нормальной материей, чем считалось ранее возможным. Эта загадочная форма материи продолжает оставаться под прикрытием, по крайней мере, в лаборатории!"