Группе китайских физиков удалось установить новые лабораторные ограничения на параметры взаимодействия аксионной темной материи с обычным веществом. Для достижения этой цели ученые использовали распределенную сеть высокочувствительных квантовых датчиков. В течение нескольких недель исследователи пытались зафиксировать редкие и непредсказуемые сигналы, которые могли бы свидетельствовать о прохождении Земли через особые структуры темной материи, однако статистически значимых событий обнаружено не было. Результаты этой работы были опубликованы в престижном научном журнале Nature.
Современная космология предполагает существование во Вселенной темной материи, которая проявляет себя гравитационно, но до сих пор не обнаруживалась через другие взаимодействия. Одними из вероятных кандидатов на роль частиц такой материи считаются аксионы — сверхлегкие частицы, способные вести себя подобно полю и образовывать макроскопические структуры, такие как доменные стенки. Теоретически, при пересечении Землей такой области, градиент аксионного поля должен оказывать воздействие на спины атомных ядер, вызывая их кратковременный поворот на микроскопический угол.
Команда под руководством Цзян Мина и Пэна Синьхуа из Университета науки и технологий Китая создала сеть из пяти датчиков, работающих на основе гиперполяризованных ядер ксенона-129. Четыре установки были размещены в лаборатории в Хэфэе, а пятая находилась в Ханчжоу на расстоянии 320 километров. Синхронизация работы всех устройств обеспечивалась с помощью GPS. В датчиках использовались пары рубидия-87, которые не только накачивали ксенон, но и считывали сигнал: малейший поворот спинов ксенона вызывал прецессию, регистрируемую как магнитное поле. Благодаря применению методов усиления сигнала и подавления шума, чувствительность системы достигла уровня нескольких микрорадиан.
Эксперимент продолжался с 20 июля по 31 августа 2022 года, что позволило собрать 739 часов чистого времени наблюдений. Регулярная калибровка сети проводилась каждый час с помощью контрольных импульсов. Полученные данные анализировались специальным алгоритмом, который отбирал потенциальные события и сравнивал их с фоновыми значениями, полученными в ходе компьютерного моделирования. Ни одного события, достоверно указывающего на пересечение топологических дефектов темной материи, зафиксировано не было.
Отсутствие положительного результата позволило ученым установить наиболее строгие на сегодняшний день ограничения на силу взаимодействия аксионов с нуклонами в определенном диапазоне масс. Эти данные существенно сужают область поиска для будущих экспериментов и уточняют современные представления о свойствах загадочной темной материи, продолжая исключать неподтвержденные гипотезы.