Эксперимент ALPS начинает поиск загадочной темной материи

Начался самый чувствительный в мире эксперимент по поиску частиц, из которых может состоять темная материя. Научные расчеты предсказывают, что эта таинственная форма материи должна встречаться во Вселенной в пять раз чаще, чем обычная видимая материя. Однако до сих пор никому не удавалось идентифицировать частицы этого вещества; эксперимент ALPS теперь может предоставить такие доказательства.

Эксперимент ALPS (Any Light Particle Search), общая протяженность которого составляет 250 метров, направлен на поиск особо легкого типа новых элементарных частиц.

Используя двадцать четыре переработанных сверхпроводящих магнита из ускорителя HERA, интенсивный лазерный луч, прецизионную интерферометрию и высокочувствительные детекторы, международная исследовательская группа хочет найти так называемые аксионы или аксионоподобные частицы.

Считается, что такие частицы очень слабо реагируют с известными видами материи, а это означает, что их невозможно обнаружить в экспериментах с использованием ускорителей.

Поэтому ALPS прибегает к совершенно другому принципу их обнаружения: в сильном магнитном поле фотоны — то есть частицы света — могут превращаться в эти загадочные элементарные частицы и снова возвращаться в свет.

«Идея такого эксперимента, как ALPS, существует уже более 30 лет. Используя компоненты и инфраструктуру бывшего ускорителя HERA вместе с самыми современными технологиями, мы теперь можем реализовать ALPS II», — говорит Беате Хайнеманн, директор отдела физики элементарных частиц в DESY.

В эксперименте ALPS ученые направляют лазерный луч высокой интенсивности вдоль устройства, называемого оптическим резонатором, в вакуумной трубе длиной примерно 120 метров, в которой луч отражается вперед и назад и которая окружена двенадцатью магнитами HERA, расположенными по прямой линии.

Если бы фотон превратился в аксион в сильном магнитном поле, этот аксион мог бы пройти через непрозрачную стенку в конце линии магнитов.

Пройдя через стену, он войдет в другую магнитную дорожку, почти идентичную первой. Здесь аксион может затем снова превратиться в фотон, который в конце будет захвачен детектором. Здесь установлен второй оптический резонатор, чтобы увеличить вероятность превращения аксиона обратно в фотон в 10 000 раз.

Это означает, что если свет действительно попадает на другу сторону, значит между стенками должен быть аксион. «Однако, несмотря на все наши технические уловки, вероятность того, что фотон превратится в аксион и обратно, очень мала, — говорит Аксель Линднер из DESY, руководитель проекта и представитель коллаборации ALPS.

Чтобы эксперимент работал, исследователям пришлось настроить все различные компоненты аппарата на максимальную производительность. Детектор света настолько чувствителен, что может регистрировать один фотон в день. Рекордна и точность системы зеркал для света: расстояние между зеркалами должно оставаться постоянным с точностью до доли атомного диаметра по отношению к длине волны лазера.

А сверхпроводящие магниты, каждый длиной девять метров, генерируют в вакуумной трубе магнитное поле силой 5,3 Тесла, что более чем в 100 000 раз превышает силу магнитного поля Земли.

Магниты были взяты из 6,3-километрового протонного кольца ускорителя HERA и переработаны для проекта ALPS. Изначально магниты были изогнуты внутри, и для эксперимента их пришлось выпрямить, чтобы они могли удерживать больше лазерного света. Кроме того, была полностью переработана защитная аппаратура для их эксплуатации в сверхпроводящих условиях при температуре минус 269 градусов по Цельсию.

Эксперимент ALPS был первоначально предложен теоретиком DESY Андреасом Рингвальдом, который также подкрепил теоретическую мотивацию эксперимента своими расчетами по расширению Стандартной модели. Рингвальд говорит: «Физики-экспериментаторы и физики-теоретики очень тесно сотрудничали при создании ALPS. Результатом стал эксперимент, обладающий уникальным потенциалом для открытия аксионов, которые мы могли бы даже использовать для поиска высокочастотных гравитационных волн».

Первоначально поиск аксионов начнется в ослабленном рабочем режиме, что упростит поиск «фонового света», который может ложно указывать на присутствие аксионов.

Полная чувствительность эксперимента должна быть достигнута во второй половине 2023 года. Зеркальная система должна быть модернизирована в 2024 году, а позже может быть установлен альтернативный детектор света.

Ученые рассчитывают опубликовать первые результаты ALPS в 2024 году. «Даже если мы не найдем никаких легких частиц с помощью ALPS, эксперимент сдвинет пределы исключения сверхлегких частиц в 1000 раз» — говорят исследователи.

Они уже строят планы на время после текущего поиска аксионов. Например, они хотят использовать ALPS, чтобы выяснить, влияет ли магнитное поле на распространение света в вакууме, как это предсказывали десятилетия назад Эйлер и Гейзенберг. И исследователи также хотят использовать экспериментальную установку для обнаружения высокочастотных гравитационных волн.