Стенки доменов-пузырей: неужели аналогичные структуры существуют в космосе?
Bubble domain walls: Do similar structures exist in space?
Физики пытаются найти стенки космических доменов
Экзотические структуры, известные как стенки космических доменов можно было бы наблюдать с Земли, измеряя тонкий эффект от их полей, похожих на магнитные поля, когда они пересекают нашу Галактику. К такому заключению пришла группа физиков в США, Канаде и Польше, предложившие новый способ обнаружения природы загадочной темной материи и темной энергии, которые как думают, разлиты по Вселенной.
В настоящее время стандартная космологическая модель Большого взрыва предполагает, что большая часть энергии во Вселенной содержится в двух таинственных субстанциях - темная материя и темная энергия. Темная материя объясняет аномалии в движении галактик и, как полагают, составляют около 20% энергии Вселенной. Темная энергия призвана объяснить ускоренное расширение Вселенной и по оценкам составляет около 75% материи Вселенной. Большинство прямых поисков предполагает, что темная материя состоит из каких-то частиц, в то время как темная энергия часто берется как существующая в форме "космологической постоянной", которая добавляется к полевому уравнению общей теории относительности. Правда, было выдвинуто ряд других возможностей.
Стены и аксионы
Одной из них является мысль, что темная материя и темная энергия содержатся в объектах, известных как "доменные стенки". Эти структуры могли бы формироваться в экзотическом силовом поле сопутствующем пока еще неоткрытым субатомным частицам, известным как аксионы, которые первоначально были предложены еще в 1970-х годах как способ объяснения того факта, что Вселенная содержит гораздо больше вещества, чем антивещества. В ранней горячей Вселенной напряженность поля изменялась случайно в пространстве, но по мере расширения и охлаждения Вселенной, поле фрагментировалось на протяженные области, где оно стало слабым и почти постоянным. Границы между этими различными областями и есть доменные стенки, на которых поле изменяется скачком, наделяя их энергией.
В последней работе, коллаборация возглавляемая теоретиком Максимом Поспеловым из Университета Виктории в Британской Колумбии и экспериментатором Дмитрием Будкером из Калифорнийского Университета, Беркли, сделали попытку установить, можно ли эти стены обнаружить с помощью приборов на Земле. Идея ученых заключается в использовании магнитометров, приборов, атомы в которых изначально упорядочены по спинам, а внешним магнитным полем спины эти можно перевернуть. Аксионо подобное поле "скалярное", а это означает, что, в отличие от магнитного поля, оно не имеет выделенного направления в пространстве и поэтому обычно не влияет на работу магнитометра. Тем не менее, изменение напряженности поля, происходящее в доменной стенке, повлияет на спины атомов в приборе.
Для выяснения, действительно ли этот эффект может быть измерен, Поспелов и его коллеги предположили, что доменные стенки могли бы содержать значительную часть либо темной материи, либо темной энергии Вселенной. Основываясь на этом, они исследовали, как возникает эффективное магнитное поле и сколько времени потребуется Земле, чтобы пройти через стену, считая ее движение относительно сети доменных стенок происходящим с типичной галактической скоростью в одну тысячную скорости света. Исследователи обнаружили, что как эффективное магнитное поле, так и время взаимодействия находятся в пределах чувствительности современных магнитометров в достаточно широком диапазоне возможных значений массы аксиона и интенсивности взаимодействия между связанным полем и обычной материей. Они также установили, что такое взаимодействие будет происходить, по крайней мере, раз в несколько лет.
Относительно редко можно встретить
Как отмечают исследователи, обнаружение таких относительно редких событий было бы затруднительно в связи с непрерывным фоновым шумом от самого магнитометра, его защиты и целого ряда внешних источников, таких как линии электропередач, проезжающие машины или даже магнитные бури в атмосфере Земли. В качестве решения они предлагают создать сеть, по крайней мере, из пяти таких устройств. Четыре смогли бы установить скорость и направление движения проходящей стены. Эти данные будут использованы для расчета времени взаимодействия стенки с пятым устройством. Если предсказание и измерение совпадут, то, говорит Будкер, "вы можете быть уверены, что вы увидели доменную стенку".
Исследователи оценили характеристики двух прототипов устройств, одно из которых расположено в Беркли, а другое в Ягеллонском университете в Кракове. Они показали, что они могут сопоставлять сигналы от двух установок и что они в состоянии исключить значительную часть шума. Теперь они надеются получить примерно $ 10 млн. нового финансирования для создания полномасштабной сети с другими устройствами потенциально находящимися в Университете штата Калифорния в Ист-Бэй и в других местах в США, а также в других странах.
Не обнаружение - не провал
Будкер признает, что идея доменных стенок "немного экзотическая" и за пределами мейнстрима в деле поиска темной материи и темной энергии. Он также признает, что теоретические неопределенности не дают даже возможности оценить шансы на успех. Но он утверждает, что обнаружение не следует рассматривать как единственное мерило успеха. "Очень важно понимать, в поисках экзотической физики, что не обнаружение чего-то это не провал", говорит он. "Если вы этим сможете исключить целый класс возможных моделей то это успех".
Джоана Оливейра (Joana Oliveira) из Университета Порту в Португалии предупреждает, что сеть доменных стенок может только внести значительный вклад в темную энергию, если в ней "разочаруются". Это будет означать, что стены почти неподвижны по отношению друг к другу, их единственным движением является растяжение вызванное расширением Вселенной. "Трудность в достижении этой конфигурации аналогична той, которая существует в предотвращении растворения пены в стакане пива," говорит она.
Поспелов признает трудность в разработке модели, которая могла бы связать значительное количество темной энергии в доменных стенках. Он указывает, что простые модели, предложенные ранее, содержали слишком мало стен и потому следует развивать более сложные модели. "Чтобы стать законной теорией, модель должна быть совместима с тем, что мы знаем об эволюции Вселенной", говорит он.