Левитирующие наносферы ловят толчки тёмной материи ✛
Кремниевая сфера диаметром 166 нанометров парит в луче инфракрасного лазера. Давление ниже 10⁻⁸ мбар, температура движения — около 10 милликельвинов. Это холоднее реликтового излучения. Сфера — микроскопический сейсмограф, улавливающий квантовые толчки невидимых частиц.
Каждый удар частицы тёмной материи передаёт сфере импульс. Сфера вздрагивает. Её положение отслеживается по рассеянному свету с точностью, ограниченной квантовыми флуктуациями. Чувствительность достигла 65 кэВ/c — всего в 2,7 раза хуже стандартного квантового предела для такого осциллятора. Это как слышать шаг мыши на другом конце моста.
За 26,1 суток накопились события с амплитудами 1–4 МэВ/c. Их происхождение не ясно. Консервативный анализ принял их за возможный сигнал или фон. В результате установлены верхние пределы на силу связи тёмной материи с нейтронами: для вириализованной тёмной материи — до 10⁻⁷ на массу 1 ГэВ/c², для термализованной — ограничения для масс свыше 10³ ГэВ/c². Для составной тёмной материи с массой конституэнта 1 кэВ/c² пределы на сечение рассеяния на нейтроне на два порядка сильнее, чем от экспериментов по пятой силе и звёздному охлаждению.
Метод открывает путь к массивам наносфер. Сетка 10×10 улучшит чувствительность на несколько порядков. Трёхмерное измерение импульса позволит восстановить направление отдачи и использовать суточную модуляцию для подтверждения галактического происхождения сигнала. Возможно детектирование одиночных нейтрино, испускаемых при радиоактивных распадах внутри сферы. Сейсмограф становится телескопом.
Наносфера массой 5 фг содержит около 10¹⁰ атомов, но её движение охлаждается до температуры около 10 мК — это холоднее, чем реликтовое излучение. При этом датчик способен зарегистрировать передачу импульса, эквивалентную удару одного электрона, летящего со скоростью несколько сотен метров в секунду.
Идея использовать микроскопические левитирующие объекты для обнаружения невидимой материи перекликается с концепцией «планковских зондов» из научной фантастики, например, в романе Грега Игана «Лестница Шильда», где сверхчувствительные детекторы регистрируют экзотические частицы.