Исследователи из Италии сообщили о значительном достижении в поисках темной материи, продемонстрировав новую «настраиваемую» систему, способную искать неуловимые частицы на более высоких частотах, чем когда-либо прежде.
Ученым удалось успешно задействовать высокочастотный галоскоп для исследования ранее не изученной области масс выше 40 микроэлектронвольт (мкэВ). Как сообщается в новом исследовании, поиск космологических аксионов проводился путем сканирования полосы частот шириной 38 МГц в районе 10,2 ГГц, что соответствует массе аксиона выше 40 мкэВ. Этот диапазон представляет особый интерес для научного сообщества в свете недавних теоретических предсказаний, согласно которым аксионы в этом окне масс являются одними из главных кандидатов на роль недостающей массы Вселенной.
Эксперимент проводился с использованием двух специализированных галоскопов в Национальных лабораториях в Леньяро и Фраскати. Его главная цель — обнаружение аксионов, гипотетических легких частиц, существование которых предполагается с ранних этапов развития Вселенной. Эти частицы важны для современной физики, поскольку потенциально могут решить две различные проблемы: объяснить, почему некоторые ядерные взаимодействия не нарушают симметрию времени, а также стать кандидатом в частицы темной материи.
В рамках проекта QUAX использовался высокочастотный галоскоп, работающий на частотах выше 10 ГГц. Поскольку точная масса аксиона неизвестна, экспериментальные системы должны сканировать широкий диапазон значений. Новая версия установки позволяет перестраивать частоту резонансной системы обнаружения, обеспечивая равномерную чувствительность к аксионам в широкой полосе.
Процесс обнаружения основан на использовании микроволнового резонатора из меди, помещенного в сильное магнитное поле. Согласно теории аксион-фотонного взаимодействия, аксионы, сталкиваясь с виртуальными фотонами магнитного поля, могут преобразовываться в реальные фотоны, которые проявляются в виде чрезвычайно слабого избытка мощности на определенной частоте. Для улавливания этого тонкого сигнала используется цепь детектирования, включающая правильно сопряженную антенну и квантово-ограниченный усилитель, что позволяет отличать возможный аксионный сигнал от фонового теплового и электронного шума.
Ключевой особенностью системы является её перестраиваемость. Исследователи могут изменять частоту медного резонатора, регулируя его апертуру. После каждого изменения команда отслеживает показания системы, сравнивая уровень чистого шума с возможным наличием сигнала. Хотя в ходе последнего поиска сигнал, соответствующий конверсии аксионов, обнаружен не был, эксперимент подтвердил, что система способна сканировать разные частоты с высокой чувствительностью.
В планы исследователей входит повышение чувствительности галоскопов и расширение исследуемого диапазона масс. Они намерены использовать более совершенные резонаторы и добиться полной автоматизации системы. В случае, если след аксиона будет в конечном итоге обнаружен, это станет первым прямым доказательством существования темной материи.