Ученые в очередной раз приблизились к разгадке одной из главных тайн Вселенной. В Гамбурге запустили эксперимент, который может помочь обнаружить частицы темной материи – загадочной субстанции, составляющей большую часть массы космоса. Команда из Оксфордского университета и Совета по науке и технологиям Великобритании (STFC) используют для этого самый мощный в мире рентгеновский лазер.
Темная материя невидима для телескопов – она не взаимодействует со светом. Ученые знают о ее существовании только по гравитационному влиянию на галактики. Но предполагается, что важным компонентом темной материи могут быть гипотетические частицы – аксионы, в поисках которых и поможет Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) в Гамбурге. Установка включает сверхпроводящий линейный ускоритель и систему фотонных пучков, размещенные в туннеле длиной 3,4 километра. Лазер генерирует сверхкороткие вспышки с частотой 27 000 импульсов в секунду.
Процесс происходит в несколько этапов: сначала установка выпускает пучок рентгеновских лучей. Затем лучи направляются через специальные кристаллы германия. Внутри кристаллов создается сильное электрическое поле, которое действует как мощный магнит.
В этом поле, согласно теории, должно происходить первое превращение: фотоны рентгеновского излучения преобразуются в аксионы. На пути пучка установлен титановый экран. Обычный свет не может через него пройти – он блокируется. Но если в пучке появились аксионы, они должны без труда преодолеть препятствие, поскольку практически не взаимодействуют с обычной материей.
По словам ведущего автора исследования, экспериментального физика из STFC доктора Джека Холлидея, первые результаты показывают, что чувствительность установки к аксионам сопоставима с другими ускорительными экспериментами. Это открывает путь к более точному поиску аксионов определенной массы, предсказанных квантовой хромодинамикой (КХД).
Квантовая хромодинамика (КХД) – одна из фундаментальных теорий современной физики. Она описывает, как взаимодействуют между собой мельчайшие частицы материи – кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, и глюоны, которые переносят силы между кварками. Именно такие взаимодействия не дают атомным ядрам распасться и обеспечивают существование привычной нам материи.
КХД помогла ученым понять многие явления, но одна загадка до сих пор остается нерешенной. Нейтрон состоит из трех кварков, каждый из которых имеет электрический заряд. По всем законам физики такая комбинация заряженных частиц должна создавать электрический дипольный момент – своего рода асимметрию в распределении электрического заряда. Однако у нейтрона такой асимметрии нет, и никто до сих пор не смог объяснить почему.
Существование аксионов могло бы разрешить парадокс. Исследователи предполагают, что они "компенсируют" дисбаланс, который должен создавать дипольный момент нейтрона. Если гипотеза подтвердится, это не только решит давнюю загадку, но и докажет существование явлений за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц.