Российские физики предложили способ регистрировать сверхслабые вспышки света, которые могут возникать при спонтанном превращении аксионов — гипотетических сверхлёгких частиц тёмной материи — в фотоны в сильном магнитном поле. Подход основан на использовании квантовых однофотонных детекторов и описан в статье в журнале Physical Review D.
Что предлагают исследователи НГТУ им. Р. Е. Алексеева
Проект детектора CASH разработан группой ведущих российских физиков и космологов под руководством Андрея Панкратова, ведущего научного сотрудника НГТУ. Установка относится к классу галоскопов — приборов, которые ищут следы тёмной материи по её возможному преобразованию в фотоны в присутствии мощного магнитного поля.
Главная идея: при правильно «настроенном» резонаторе фотоны, возникающие из аксионов в заданном диапазоне масс, можно улавливать и подсчитывать. Для этого нужны детекторы с экстремально низким уровнем собственных шумов.
Как устроен детектор CASH
- Резонаторы «подстраивают» под нужный диапазон частот, соответствующий предполагаемым массам аксионов.
- Квантовые однофотонные детекторы собирают единичные кванты света. Их базовый элемент — контакты Джозефсона: сверхпроводниковые цепочки с тонкими барьерами (диэлектриками), через которые ток может протекать без потерь при определённых условиях. Попадание фотона резко меняет сопротивление контакта — так фиксируется единичное событие.
- Магнитная система создаёт поле напряжённости, сопоставимой с установками МРТ, что необходимо для эффективного преобразования аксионов в фотоны.
Какие результаты ожидаются
Расчёты показывают, что такая схема способна за один год наблюдений подтвердить либо исключить существование аксионов в диапазоне масс ~38–58 мкэВ (микроэлектронвольт). При этом, помимо работы в магнитном поле, установка CASH сможет проводить поиск и других кандидатов на «лёгкую» тёмную материю вне поля — например, так называемых тёмных фотонов.
Ключевое преимущество — использование однофотонных квантовых детекторов, что радикально снижает уровень шумов и позволяет достигать чувствительности, достаточной для полноценных поисков галактических аксионов даже при сравнительно скромной мощности магнитов.
Почему это важно
Несмотря на уверенность научного сообщества в существовании тёмной материи, её природа остаётся неизвестной. В течение последних десятилетий безуспешные поиски тяжёлых кандидатов (WIMP) усилили интерес к сверхлёгким частицам — прежде всего к аксионам. Ряд галоскопов, в том числе американские ADMX и HAYSTAC, уже исключили присутствие аксионов в нескольких диапазонах масс. Проект CASH закрывает «окно», которое остаётся слабо исследованным, и тем самым расширяет карту поиска «лёгкой» тёмной материи.