Российские физики предложили подход, который позволит регистрировать вспышки света, возникающие при спонтанных превращениях аксионов — сверхлёгких частиц тёмной материи — в фотоны. Для этого используются квантовые однофотонные детекторы. О методике и расчётах учёные рассказывают в статье в журнале Physical Review D.
«Проект детектора CASH позволит вести поиски частиц сверхлёгкой тёмной материи в диапазоне масс, недоступном другим экспериментам. Квантовые однофотонные детекторы существенно снижают уровень шумов и дают возможность за год достичь чувствительности, достаточной для полноценного поиска галактических аксионов даже при сравнительно скромной мощности магнитов», — отмечают авторы.
Что предложено
Проект CASH разработан группой ведущих российских физиков и космологов под руководством ведущего научного сотрудника НГТУ им. Р. Е. Алексеева Андрея Панкратова. Установка относится к классу галоскопов — приборов, которые ищут следы тёмной материи, используя эффект её преобразования в фотоны в сильном магнитном поле.
Как это работает
- В сильном магнитном поле частицы тёмной материи (аксионы) могут спонтанно превращаться в фотоны.
- Для улавливания таких фотонов создаются высокодобротные резонаторы, «настроенные» на нужный диапазон масс аксионов.
- Ключевую роль играет сверхчувствительная регистрация одиночных фотонов при минимальном уровне случайных шумов.
В качестве приёмной системы предложены квантовые однофотонные детекторы на контактах Джозефсона — цепочках из сверхпроводников с тонкими диэлектрическими прослойками. При попадании частицы света сопротивление такого контакта резко возрастает, что позволяет фиксировать отдельные фотоны.
Какие результаты ожидаются
Согласно расчётам авторов, такая схема позволит подтвердить или исключить существование аксионов в диапазоне масс от 38 до 58 мкэВ всего за один год наблюдений. Для эксперимента необходимы мощные магниты с напряжённостью поля, сравнимой с установками МРТ. При этом установка CASH может работать и без магнитного поля — для поиска других кандидатов на «лёгкую» тёмную материю, например тёмных фотонов.
Короткая справка: «лёгкая» тёмная материя
Существование тёмной материи практически не вызывает сомнений, однако её природа остаётся открытой. Долгие поиски массивных частиц (WIMPs) не дали ожидаемых результатов, поэтому всё больше внимания уделяется аксионам — сверхлёгким частицам, схожим по массе и ряду свойств с нейтрино. Ранее созданные галоскопы, такие как ADMX и HAYSTAC, уже исключили некоторые участки возможных масс аксионов. Проект CASH призван исследовать новый диапазон, не перекрываемый этими экспериментами.