Новый поиск аксионов исключает прошлые прогнозы
Прошлые физические исследования обнаружили, что то, что мы обычно считаем материей, составляет только приблизительно 15% от общей массы вселенной
Коллектив исследователей ADMX, работающих в университетах в США и Европе, недавно провел новый поиск гипотетической частицы темной материи — невидимого аксиона с использованием полого галогеноскопа и параметрического усилителя Джозефсона.
Полые галогеноскопы — это чувствительные приборы, предназначенные для обнаружения и изучения гало вокруг светящихся тел или других физических явлений. Параметрические усилители Джозефсона, с другой стороны, являются технологическими инструментами, которые можно использовать для управления квантовыми состояниями микроволновых световых полей.
В своей недавней работе, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи искали аксионы темной материи в гало галактики в диапазоне масс 2,81–3,31 мкэВ. Результаты этого поиска могут помочь исключить предыдущие теоретические предсказания, информируя о будущем поиске невидимой аксионной темной материи.
Прошлые физические исследования обнаружили, что то, что мы обычно считаем материей, составляет только приблизительно 15% от общей массы вселенной. Считается, что оставшиеся 85% состоят из частиц, которые не поглощают, не излучают и не отражают свет и, следовательно, не могут быть обнаружены с использованием традиционных методов изучения вещества.
Этот несветящийся материал, известный как темная материя, остается одной из величайших загадок в современной физике, поскольку исследователи до сих пор не уверены, существует ли она и из чего она состоит. Хотя в настоящее время проводятся бесчисленные поиски темной материи с использованием различных инструментов, этот загадочный материал до сих пор никогда не наблюдался и не обнаруживался.
«Одно из возможных решений проблемы темной материи может быть найдено в другой области физики, а именно в ядерной физике, в форме еще одной загадки, известной как «сильная СР-проблема», — пояснили ученые.
«Популярное решение проблемы предсказывает существование новой частицы, известной как аксион, и свойства аксиона делают его неотразимым кандидатом на темную материю. В поиске частицы темной материи — аксиона, сотрудничество ADMX надеется решить обе проблемы — сильную СР-проблему и загадку природы темной материи.»
Полостной галогоскоп, используемый учеными, состоит из резонансной полости, помещенной внутрь большого магнитного поля. Согласно теоретическим предсказаниям, аксионы темной материи в гало галактики должны соединяться с магнитным полем в полости и производить фотоны.
Количество производимых фотонов, вероятно, будет очень маленьким, что затруднит обнаружение результирующего сигнала. Однако, настроив резонансную полость внутри аксионного галогоскопа на ту же частоту, что и фотоны, можно увеличить количество фотонов, производимых галактическим гало.
«В некотором смысле, наш поиск аксиона очень похож на работу радио», — говорят исследователи. «Поскольку у радиостанции есть своя частота, ее можно установить на разных приемниках. В этом отношении наш эксперимент похож, за исключением того, что мы не знаем частоту нашей радиостанции, а сигнал намного слабее».
Поиск аксионов продолжается уже несколько десятилетий, и ученые уже провели ряд таких поисков, используя свое оборудование. Хотя они до сих пор не смогли обнаружить невидимые аксионы, результаты их недавнего эксперимента исключают диапазон масс аксионов, которые ранее были предсказаны эталонными теоретическими моделями темной материи.
«Фактически это второй раз, когда наш эксперимент достиг такой чувствительности, но на этот раз мы утроили диапазон, который мы охватили в нашем предыдущем исследовании», — говорят исследователи. «Достигнув и расширив эту чувствительность, мы показали, что в продолжающемся поиске аксионной темной материи ADMX представляет собой одну из лучших надежд на ее поиск».
Проведенные наблюдения могут помочь в будущих поисках аксионов темной материи, а также проложить путь для новых теоретических предсказаний. Ученые сейчас проводят новый поиск аксионной темной материи на более высоких частотах. Если этот поиск также окажется неудачным, они планируют продолжить поиск невидимых аксионов на еще больших частотах.
T. Braine et al. Extended Search for the Invisible Axion with the Axion Dark Matter Experiment, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101303