Детектор ADMX, ищущий гипотетические частицы аксионы, из которых, как предполагается, может состоять загадочная тёмная материя, достиг беспрецедентной точности, но пока не смог ничего найти. Об этом создатели детектора сообщают в свежей статье, опубликованной в Physical Review Letters.
Гипотеза тёмной материи была выдвинута ещё в 1933 году астрономом Фрицем Цвики как один из возможных вариантов объяснения обнаруженного им несоответствия между наблюдаемой скоростью галактик в скоплении Волос Вероники и силой гравитации, которая их в этом скоплении удерживает. Не привлекшая внимания в тот момент, гипотеза возродилась в 1970-е, и сейчас лежит в основе всей современной космологии. Подробнее про эту история я писал год назад.
До сих пор, однако, неизвестно, что тёмная материя собой представляет. Наиболее распространённая гипотеза заключается в том, что она состоит из пока неизвестных учёным частиц. Существует немало теорий, что это могут быть за частицы. Один из возможных кандидатов — аксионы.
Большая часть поисков, однако, сконцентрирована на другом кандидате, известном как вимпы (от английского WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, то есть слабо взаимодействующие массивные частицы). Предполагается, что их масса составляет порядка 1–100 ГэВ, то есть в десятки раз больше, чем у протона. Считается, что они очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, поэтому остаются незамеченными. Однако при достаточно большом объёме детектора иногда должны происходить столкновения вимпов с ядрами, которое и пытаются засечь сразу в нескольких лабораториях. Про современное состояние этих поисков я писал в прошлом году в июле и ноябре.
Аксионы — это альтернативная гипотеза. Изначально эти частицы появились в теориях для совсем других целей. С их помощью пытались решить фундаментальную проблему сильной CP-инвариантности. Проблема заключается в том, что по каким-то причинам слабое ядерное взаимодействие нарушает так называемую CP-симметрию, а сильное ядерное — нет. Возможное решение, в котором появились аксионы, было предложено в 1977 году теоретиками Роберто Печчеи и Хелен Квинн.
Сразу после публикации работы Печчеи — Квинн, два других теоретика Стивен Вайнберг и Фрэнк Вильчек разработали теорию аксиона в Стандартной модели элементарных частиц, однако почти тут же эта теория была опровергнута экспериментально — среди стандартных частиц аксионов быть не может.
Впоследствии эти две теории были объединены, так что аксионы стали значительно слабее взаимодействовать с фотонами и веществом. Существует два особо популярных варианта такого объединения: теория Кима — Шифмана — Вайнштейна — Захарова (КШВЗ, или KSVZ) и теория Дайна — Фишлера — Средницкого — Житницкого (ДФСЖ, или DFSZ). Они отличаются силой связи между аксионами и фотонами, у KSVZ-аксионов она в ∼2,7 раз выше.
Вскоре после разработки этих моделей аксионы стали главными кандидатами в частицы тёмной материи. Из космологических моделей следовало, что аксионы, рождённые в ранней Вселенной, должны были бы иметь массу в районе 1–25 µэВ (микроэлектрон-вольт), то есть где-то в 10¹⁵ раз меньше, чем вимпы. При такой массе в кубическом сантиметре должны содержаться триллионы этих легчайших частиц. Однако из-за слабости их взаимодействия с привычным нам веществом, обнаружить их непросто.
Проект ADMX, который расшифровывается как Axion Dark Matter eXperiment, основан на схеме детектирования, предложенной ещё в 1983 году и называемой «галоскопом». В его основе — идея о том, что в специальном резонаторе аксионы могут превращаться в фотоны в присутствии внешнего магнитного поля. За счёт резонатора можно достичь условий резонанса, что должно значительно увеличить вероятность превращения. Появившиеся фотоны можно засечь по увеличению мощности излучения на фоне теплового шума. Поскольку, однако, масса аксионов неизвестна, в эксперименте приходится последовательно перестраивать резонансную частоту, перебирая все возможные значения.
За время своего существования ADMX, начавший свои поиски ещё в начале 2000-х, претерпел множество модернизаций. Новые результаты были получены с недостижимой до этого чувствительностью. Достичь её удалось в первую очередь за счёт использования рефрижератора разбавления, который позволил понизить рабочую температуру до 150 милликельвин, уменьшив тем самым тепловой шум. Это увеличило чувствительность в семь раз.
С новой схемой учёные промерили диапазон резонансных частот от 640 до 685 МГц, который соответствует массам аксионов в диапазоне 2,66–2,81 µэВ. При этом чувствительность оказалось достаточной, чтобы исключить не только KSVZ-аксионы, но и более слабо взаимодействующие DFSZ-аксионы, что ранее в этом диапазоне никому не удавалось.
Несмотря на то, что ADMX пока не нашёл аксионов, полученные результаты помогут в проведении дальнейших поисков. У учёных есть идеи, как ещё повысить чувствительность эксперимента, а также скорость поиска. В частности, они планируют ещё сильнее снизить температуру детектора за счёт использования более сильных магнитных полей. Это позволит провести поиск KSVZ- и DFSZ-аксионов в более широком диапазоне масс.
Читайте также
Почему мы поверили в тёмную материю?
Шесть причин следить за достижениями нейтринной физики
Подписывайтесь также на мой канал в Telegram!
