Если темная материя состоит из аксионов, мы можем найти их очень скоро

Наблюдая за галактикой Млечный Путь, мы узнали, что на каждый кубический метр пространства, даже тот, который занят вашим стулом, есть небольшое количество материи — примерно в 50 масс протона, — проходящей через него в каждый отдельно взятый момент времени. Но в отличие от частиц, которые составляют вас и ваш стул, эта материя не взаимодействует с миром. Она не отражает свет, не излучается твердыми объектами, проходит сквозь стены. Эта загадочная субстанция получила название «темная материя».

Поскольку в каждом кубическом метре ее так мало, вы никогда не заметите присутствие темной материи. Но на больших расстояниях космоса имеется много кубических метров, и все они заполнены темной материей. Только когда вы смотрите на общую картину, становится очевидным гравитационное влияние темной материи. Это основной источник гравитации, удерживающей каждую галактику; она связывает галактики в скоплениях; она искажает пространство вокруг галактических скоплений, создавая эффект линзирования.

Но несмотря на ее важность для крупномасштабной структуры Вселенной, мы все еще не знаем, чем на самом деле является темная материя. В настоящее время лучшим кандидатом на роль ее частицы считается вимп (WIMP, слабо взаимодействующая массивная частица). Но вимпы — не единственный вариант. Есть ряд других возможностей, которые исследуются. Некоторые из них задействуют другие виды массивных частиц, которые могли бы входить в состав холодной темной материи, другие же вообще частицами не являются.

Аксионы, теоретические частицы, которые изначально должны были решить хитрую проблему, связанную с сильным ядерным взаимодействием, вполне могут обладать нужными качествами, чтобы стать хорошими кандидатами на роль темной материи. Лесли Розенберг, физики из Университета Вашингтона, недавно написал обзор экспериментов, которые изучают возможность существования аксионов как частиц темной материи, для журнала PNAS.

Горячо или холодно?

Среди разных моделей темной материи есть две общие категории: горячая (HDM) и холодная темная материя (CDM). Горячий вариант получил свое название потому, что ее частицы могут сновать вокруг с невероятной скоростью, вплоть до субсветовой. Но горячая темная материя, похоже, тупиковый вариант. Если бы частицы двигались так быстро, большинство их могло бы покинуть гравитационное притяжение галактик. Вместо этого темная материя образует красивый сферический ореол вокруг каждой галактики — что означает, скорее, ее холодное свойство.

Физическим различием между HDM и CDM является масса. Если темная материя состоит из частиц малой массы, их было бы легче ускорить, и поскольку эти частицы слабо взаимодействуют с другими частицами, их было бы весьма трудно замедлить; такова релятивистская скорость HDM. CDM, однако, должна состоять из более массивных частиц, поскольку их не так легко ускорить. Вимпы попадают в эту категорию.

Аксионы тем временем занимают уникальное место посередине между HDM и CDM. Они обладают малой массой, достаточно низкой, чтобы быть HDM, но не такой, чтобы замедлиться гравитационно в юности Вселенной. Теперь же они ведут себя как CDM, двигаясь медленно и образуя ореолы темной материи, которую мы наблюдаем, даже если обладают массой HDM. Важно отметить, что аксионы достаточно слабо взаимодействуют со светом и другой материей, таким образом, составляя «темную» часть темной материи.

Одним из преимуществ аксионов как кандидатов на роль темной материи является то, что может быть только весьма специфичный диапазон масс аксионов, который будет соответствовать наблюдаемой нами темной материи. Если бы аксионы были намного легче или тяжелее, они бы производили наблюдаемые отличия — достаточно очевидные, чтобы мы их уже увидели. Например, сверхновая sn1987a потеряла бы энергию, поскольку аксионы вывезли бы ее из взрывающейся звезды, что привело бы к заметной вспышке нейтрино, доселе невиданной на Земле.

Этот узкий диапазон возможностей делает аксионную гипотезу легкопроверяемой. Поскольку диапазон достаточно узкий, отрицательный эксперимент также может исключить саму возможность существования аксионов в целом. (Точнее, даже если они будут существовать, они не будут связаны с темной материей). Да и в целом для науки проверяемая гипотеза — это круто.

Как же нам найти их?

Еще одно преимущество аксионов заключается в том, что они могут спонтанно распадаться на вещи, которые могут быть наблюдаемы. Аксион может превратиться в два фотона, а этот свет теоретически можно зафиксировать. Обратный процесс, превращение света в аксион, тоже возможен — и он даже может играть определенную роль в распространении света. Свет может на мгновение становиться аксионом, который распадается на два фотона, и это короткое существование аксиона можно рассматривать как виртуальный аксион.

Другой эффект, который могут проявлять аксионы, можно найти на Солнце — его сейсмическая активность и выход энергии могут быть связаны с взаимодействиями аксионов. Солнечные аксионы могут рассеиваться в кристалл германия, производя рентгеновские лучи, которые могут наблюдаться. Кроме того, аксионы темной материи в ореолах вокруг астрономических объектов вроде других галактик могут спонтанно распадаться и производить фотоны, которые мы могли бы видеть в телескопах.

К сожалению, ни один из этих экспериментов не обладает достаточной чувствительностью, чтобы обнаружить диапазон масс аксионов, которые могут быть темной материей. Чтобы найти аксионы в этом диапазоне, есть несколько иных методов в работе.

Астрономические аксионы

Астрономические объекты могут предоставлять нам возможность наблюдать аксионы. Сверхновые должны производить их, как мы уже отмечали, да и другие объекты, типа Солнца, тоже.

В ядре Солнца свет рассеивается, сталкиваясь с частицами, прыгая от частицы к частице, пока случайно не покинет Солнце (иногда спустя 170 000 лет после производства этого света). По мере того, как свет рассеивается в этом процессе, он может преобразовываться в аксионы. Эти аксионы затем распадаются на два фотона, будучи еще внутри Солнца. Поскольку аксионы производятся в горячем ядре Солнца, фотоны, наблюдаемые на Земле, должны быть в форме рентгеновских лучей. Кроме того, мы можем случайно обнаружить и сами аксионы, если они покинут Солнце.

Однако нам будет весьма трудно отличить аксионы, обнаруженные таким способом, темной материи от аксионов, образовавшихся в ходе нормальных физических процессов. Более энергичные события вроде сверхновых могут тоже лишить нас возможности наблюдать непосредственно аксионы темной материи.

Лучший эксперимент с использованием этого метода на данный момент — это Axion Solar Telescope при ЦЕРН. Используя дипольный магнит Большого адронного коллайдера, этот механизм может достичь хорошей чувствительности, наблюдая за аксионами, покидающими Солнце — но он вряд ли уловит аксионы темной материи, наблюдая за сверхновой sn1987a. Таким образом, хотя этот эксперимент сам по себе не может обнаружить аксионы, в дальнейшем он сможет точно определить свойства аксионов темной материи.

Есть планы и на более чувствительные версии экспериментальных установок.

Просвечивание светом сквозь стены

Другой способ обнаружить аксионы темной материи — это метод «просвечивания светом сквозь стены», который является ровно тем же, о чем вы подумали. Как мы уже поняли, свет может превращаться в аксионы, а аксионы могут превращаться в свет. Поэтому если ученые захотят создать аксионы в лаборатории, они начнут со света.

Отправляя поляризованный свет через дипольный магнит, ученые могли бы преобразовать часть света в аксионы. Эти аксионы после этого могли бы проходить сквозь стену, как если бы ее не было, и появляться на другой стороне. Столкнувшись со вторым дипольным магнитом, аксионы превращались бы в фотоны снова, и это можно было бы зафиксировать. Справедливости ради, стоит отметить, что это точно не измерение ранее существовавших аксионов, поэтому едва ли это продемонстрирует аксионы темной материи в действии — только если мы убедимся, что эти аксионы соответствуют нужной массе в диапазоне. Тем не менее такой эксперимент будет мощным сам по себе.

Проблема в том, что этот процесс (превращения фотонов в аксионы) происходит крайне редко — так редко, что будет сложно отличить нужную вспышку света от окружающего шума. В результате этого, эта методика не будет достаточно чувствительной, чтобы выделить нужные аксионы из диапазона масс.

Некоторые эксперименты, которые строятся сейчас, пытаются решить эту проблему, добавляя так называемые оптические резонаторы Фабри-Перо по обе стороны стены. Они увеличивают число фотонов, преобразующихся в аксионы, и наоборот, что может породить мощный сигнал — достаточно мощный, чтобы отличить его от шума. В любом случае над этим еще работать и работать.

Поимка аксионов

Другой подход известен как радиочастотная техника. В ее основе лежит способность аксионов распадаться на свет. Аксионы, которые являются частью ореола темной материи Млечного Пути, постоянно должны проходить через Землю, то есть находятся в пределах досягаемости. Единственное, что необходимо, это правильный сачок. Как и другие кандидаты на темную материю, аксионы могут проходить через твердую материю, поэтому поймать даже один такой будет весьма трудно. Но в отличие от других кандидатов, аксионы могут взаимодействовать с магнитным полем. В таком случае аксионы можно стимулировать для распада на микроволновые фотоны. Эти-то фотоны и планируют обнаружить ученые.

Сачком, в данном случае, будет так называемая РЧ-полость, металлический цилиндр, выступающий в качестве резонатора, который сохраняет внутри электромагнитные волны, пойманные извне.

Этот подход взял за основу Axion Dark Matter eXperiment (ADMX). РЧ-полость в высоту четыре метра, операционная зона, в которой будут ловиться аксионы, в высоту метр. Полость окружена мощным магнитом. Основная проблема этого эксперимента, как и многих других в области астрономии, это уменьшение шума. Аксионы, входящие в ореол Млечного Пути, производят чрезвычайно слабые фотоны, которые сложно отличить от фонового шума.

Чтобы справиться с этой проблемой, устройство ADMX недавно было переоборудовано. Его транзисторные усилители заменили на сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID). Они более эффективны в усилении сигнала микроволновых фотонов. ADMX, снабженный SQUID, достаточно чувствителен, чтобы обнаружить аксионы из гало Млечного Пути с высокой степенью достоверности. В течение следующих нескольких лет, этот эксперимент сможет окончательно исключить аксионы из раздела темной материи, либо подтвердить эту гипотезу.

Если аксионы действительно окажутся частью темной материи, это будет отличная новость: физики смогут обнаруживать и проводить эксперименты с темной материей, для космологии это заветная мечта. Но учитывая то, что до конца нет уверенности в том, что темная материя вообще взаимодействует — в противном случае ее вообще невозможно было бы наблюдать — обнаружение таких аксионов станет настоящим прорывом.