Все, что мы видим в космосе — звезды, планеты, галактики, — это лишь малая часть массы Вселенной. Остальное — загадочная темная материя, невидимая и почти не взаимодействующая с обычной материей. Ученые десятилетиями пытались ее обнаружить. Новый эксперимент MADMAX (MAgnetized Disc and Mirror Axion eXperiment) пытается поймать частицы, которые могут составлять темную материю: аксионы и темные фотоны.
MADMAX —уникальная установка, которая ищет эти неуловимые частицы. Якоб Матиас Эгге, первый автор исследования и аспирант Гамбургского университета, объясняет: «Эти две гипотетические частицы — популярные кандидаты на роль темной материи. В нашей статье мы описываем результаты поиска темных фотонов с помощью небольшого прототипа».
Темная материя почти не взаимодействует с обычной материей, поэтому для ее обнаружения нужны сверхчувствительные приборы. Традиционные детекторы часто не справлялись, особенно с тяжелыми частицами. Поэтому ученые сосредоточились на легких частицах — аксионах и темных фотонах.
MADMAX использует диэлектрический галооскоп — устройство с сапфировыми дисками и зеркалом, которое усиливает слабые сигналы от темной материи. Прототип состоит из трех сапфировых дисков, расположенных на определенном расстоянии перед зеркалом. Сапфир выбран за его способность работать на высоких частотах. Если темные фотоны существуют, они могут превращаться в обычные фотоны (частицы света) при прохождении через такие материалы. Диски и зеркало настроены так, чтобы усиливать этот процесс на частоте около 20 ГГц, как радиоприемник, ловящий нужную волну.
Получившиеся микроволновые фотоны улавливаются рупорной антенной и анализируются сверхчувствительным приемником. Сигнал обнаружить не удалось, но ученые установили новые, невероятно точные границы для темных фотонов в этом диапазоне масс. «Это первый физический результат прототипа MADMAX, и он превосходит предыдущие почти в три раза», — отмечают авторы исследования.
Эксперимент доказал, что подход MADMAX работает. Это первый случай, когда такой детектор использовался для поиска темных фотонов, и результаты впечатляют. Эгге добавляет: «Теперь, когда концепция детектора доказала свою эффективность, мы можем расширить возможности в следующих версиях, увеличивая шансы на обнаружение».