Эксперимент по темной материи пока не нашел признаков аксионов

Физики из Массачусетского технологического института и других стран провели первый запуск нового эксперимента по обнаружению аксионов — гипотетических частиц, которые, по прогнозам, будут одними из самых легких частиц во вселенной. Если бы они существовали, аксионы были бы практически невидимы, хотя они могут составлять почти до 85 процентов массы вселенной в форме темной материи.

Аксионы особенно необычны тем, что они должны изменить правила электричества и магнетизма на самом минимальном уровне. В статье, опубликованной в Physical Review Letters, физики сообщают, что в первый месяц наблюдений эксперимент не обнаружил никаких признаков аксионов в диапазоне масс от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт.

Это означает, что аксионы в этом диапазоне масс, который эквивалентен приблизительно одной квинтиллиону массы протона, либо не существуют, либо оказывают на электричество и магнетизм еще меньшее влияние, чем считалось ранее.

В то время как считается, что они вездесущи, аксионы, как предсказывают, будут фактически подобны призраку, имея только крошечные взаимодействия с чем-либо еще во вселенной.

«Как темная материя, они не должны влиять на вашу повседневную жизнь», — говорят ученые. «Но считается, что они влияют на вещи на космологическом уровне, такие как расширение вселенной и образование галактик, которые мы видим в ночном небе».

Из-за их взаимодействия с электромагнетизмом аксионы теоретически имеют удивительное поведение вокруг магнетаров — типа нейтронной звезды, которая излучает чрезвычайно мощное магнитное поле. Если присутствуют аксионы, они могут использовать магнитное поле магнетара для преобразования себя в радиоволны, которые можно обнаружить с помощью специальных телескопов на Земле.

В 2016 году трио теоретиков Массачусетского технологического института разработало мысленный эксперимент по обнаружению аксионов, вдохновленный магнетаром. Эксперимент был назван ABRACADABRA для широкополосного/резонансного подхода к обнаружению аксионов с помощью устройства с кольцевым усилением B-поля.

Физики предложили конструкцию маленького, напоминающего пончик магнита, который хранится в холодильной камере при температуре чуть выше абсолютного нуля. Без аксионов не должно быть магнитного поля в центре пончика. Однако, если существуют аксионы, детектор должен «видеть» магнитное поле в середине пончика.

После того, как группа ученых опубликовала свой теоретический проект, Линдли Уинслоу, физик-экспериментатор, приступил к поиску способов действительно провести такой эксперимент.

«Мы хотели найти сигнал аксиона, там, где, если мы его видим, это действительно аксион», — говорит Уинслоу. «Вот что было элегантно в этом эксперименте. Технически, если вы видели это магнитное поле, это мог быть только аксион, из-за конкретной геометрии, о которой мы думали».

Это сложный эксперимент, потому что ожидаемый сигнал составляет менее 20 атто-Тесла. Для справки: магнитное поле Земли составляет 30 микротесла, а волны человеческого мозга — 1 пикотесла.

При построении эксперимента Уинслоу и ее коллегам пришлось столкнуться с двумя основными задачами проектирования, первая из которых заключалась в том, что холодильник использовался для поддержания всего эксперимента при ультрахолодных температурах. В камере была система механических насосов, чья активность могла генерировать очень слабые вибрации, которые могли маскировать сигнал аксиона.

Вторая проблема была связана с шумом в окружающей среде, например, от соседних радиостанций, включением и выключением электроники по всему зданию и даже светодиодными огнями на компьютерах и электронике, которые могли генерировать конкурирующие магнитные поля.

Команда ученых решила первую проблему, повесив всю конструкцию размером с футбольный мяч на сверхтонкую нить. Вторая проблема была решена сочетанием холодного сверхпроводящего экранирования и теплого экранирования вокруг внешней части эксперимента.

Исследователи сначала провели серию тестов, чтобы подтвердить, что эксперимент работал и точно показывал магнитные поля. Самым важным испытанием было введение магнитного поля для имитации поддельного аксиона, чтобы увидеть, что детектор эксперимента дал ожидаемый сигнал, указывающий, что если реальный аксион взаимодействует с экспериментом, он будет обнаружен. После этого все было готово к работе.

В 2018 году команда ученых провела первый прогон ABRACADABRA с непрерывным отбором проб в период с июля по август. Проанализировав данные этого периода, они не обнаружили никаких свидетельств наличия аксионов в диапазоне масс от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт, которые изменяют электричество и магнетизм более чем на одну часть из 10 миллиардов.

Эксперимент предназначен для обнаружения аксионов еще меньшей массы, вплоть до примерно 1 фемтоэлектронвольт.

Команда продолжит проведение текущего эксперимента, чтобы найти еще меньшие и более слабые аксионы. Тем временем Уинслоу пытается выяснить, как увеличить масштаб эксперимента с нынешнего  до размеров компактного автомобиля — размеров, которые могли бы позволить обнаруживать даже более слабые аксионы.

«Существует реальная возможность большого открытия на следующих этапах эксперимента», — говорит Уинслоу. «Что мотивирует нас — это возможность увидеть что-то, что изменило бы поле. Это физика с высоким риском и большой надеждой».

Design and implementation of the ABRACADABRA-10 cm axion dark matter search, journals.aps.org/prd/accepted/ … a284b0eb5cd5d60ea137