Международная коллаборация QUAX, объединяющая физиков из нескольких научных центров Италии, представила результаты нового эксперимента по поиску аксионов — гипотетических частиц, которые считаются одними из самых перспективных кандидатов на роль тёмной материи. Работа посвящена тестированию детектора, способного исследовать область масс аксионов, ранее практически недоступную для экспериментов.
Аксионы — это крайне лёгкие частицы, которые, согласно теории, могли возникнуть в ранней Вселенной и сохраниться до наших дней. Они привлекают внимание физиков сразу по двум причинам. Во-первых, их существование может объяснить, почему некоторые ядерные взаимодействия не нарушают симметрию обращения времени. Во-вторых, аксионы хорошо вписываются в роль тёмной материи — невидимой формы вещества, которая не излучает и не поглощает свет, но составляет значительную часть массы Вселенной.
Ключевая сложность заключается в том, что масса аксионов неизвестна. Поэтому экспериментам приходится «сканировать» широкий диапазон возможных значений, пытаясь уловить чрезвычайно слабые сигналы. В последние годы большинство установок было сосредоточено на относительно низких массах. Коллаборация QUAX поставила перед собой другую задачу — выйти в область более высоких масс, превышающих 40 микроэлектронвольт, где, согласно современным теоретическим моделям, аксионы также могут существовать.
Эксперимент основан на использовании так называемого галоскопа — устройства, предназначенного для регистрации превращения аксионов в фотоны. Согласно теории, в сильном магнитном поле аксион может очень редко конвертироваться в квант электромагнитного излучения. В установке QUAX для этого используется медная микроволновая резонаторная камера, помещённая в мощное магнитное поле. Если аксионы присутствуют, то они должны оставлять в резонаторе крошечный избыток энергии на строго определённой частоте.
Этот сигнал чрезвычайно слаб — он выглядит как едва заметное превышение уровня шума в данных (статистического выброса). Чтобы его уловить, исследователи применяют антенну и систему детектирования с усилителем, работающим на пределе, допускаемом квантовой механикой. Изменяя геометрию резонаторной камеры, физики могут перестраивать её рабочую частоту и, тем самым, проверять разные значения возможной массы аксиона.
В ходе последнего эксперимента сигналов, которые можно было бы интерпретировать как следы аксионов, обнаружено не было. Однако целью работы был не столько сам факт обнаружения, сколько демонстрация принципиальной работоспособности установки. Учёные показали, что система стабильно работает в высокочастотном диапазоне, может автоматически перестраиваться и проводить длительные измерения с нужной чувствительностью.
По словам участников коллаборации, это важный шаг для всего направления. Если в будущем аксионы будут обнаружены, то это станет первым прямым экспериментальным подтверждением существования тёмной материи. Если же сигналов не удастся найти, то результаты позволят исключить целые классы теоретических моделей и сузить область поиска.
В ближайших планах QUAX — дальнейшее повышение чувствительности детекторов, расширение диапазона исследуемых масс и переход к полностью автоматизированному режиму работы. Для этого учёные намерены использовать новые резонаторные камеры и модернизировать существующие установки.