Космос раскрывает тайны: физики придумали, как поймать неуловимые частицы тёмной материи

Учёные из Москвы, Нижнего Новгорода, Сарова и Санкт-Петербурга представили проект "Космологический Аксионный Саровский Галоскоп" (CASH) - уникальную установку, способную исследовать одну из самых неуловимых гипотетических частиц во Вселенной — аксион. Описание проекта опубликовано в журнале Physical Review D.

Что такое аксионы и зачем их искать

Аксионы — это гипотетические элементарные частицы, предложенные в 1970-х годах для объяснения симметрии сильных взаимодействий в квантовой хромодинамике. Позже выяснилось, что такие частицы идеально подходят на роль тёмной материи, составляющей около 85% всей массы Вселенной, но не взаимодействующей со светом.

Если аксионы действительно существуют, они должны иногда превращаться в фотоны при попадании в сильное магнитное поле. Именно это свойство и лежит в основе работы галоскопов — специализированных установок для их поиска.

"Мы не усиливаем сигнал, а просто считаем фотоны — этот подход позволяет добиться квантовой чувствительности", — поясняют авторы проекта CASH.

Принцип работы CASH

Главная идея установки проста, но технически крайне сложна. Внутри мощного магнита создаётся резонаторная полость, где аксионы (если они существуют) могут конвертироваться в фотоны определённой частоты, соответствующей массе частицы.

В отличие от классических экспериментов, использующих шумные микроволновые усилители, CASH применяет однофотонные детекторы на джозефсоновских переходах - сверхпроводниковых элементах, способных реагировать на поглощение одного фотона.

Когда фотон попадает в детектор, джозефсоновский переход мгновенно переходит из сверхпроводящего состояния в резистивное, и это изменение фиксируется напрямую.

Такой подход позволяет:

• обойти стандартный квантовый предел чувствительности,

• снизить уровень шумов,

• регистрировать единичные события с рекордной точностью — не более одного ложного сигнала за 100 секунд.

Этапы эксперимента

Исследователи разделили проект на два основных этапа:

Этап CASH-I

• Используется фиксированный медный резонатор и магнит с полем 1,7 тесла.

• Цель — провести первое точное измерение на одной выбранной частоте.

• За 12 дней наблюдений команда планирует превзойти существующие пределы чувствительности в выбранном диапазоне масс аксионов.

Этап CASH-II

• Предусматривает усиление магнитного поля до 10 тесла.

• Резонатор станет перестраиваемым, что позволит просканировать более широкий диапазон частот.

• За один год эксперимента исследователи намерены охватить область масс от 38 до 54 мэВ, где ранее не проводилось ни одно точное измерение.

"Если аксионы существуют, мы увидим их следы в виде крошечных квантов света. Если нет — сможем установить самые жёсткие ограничения на их свойства", — говорят участники проекта.

В чём инновация проекта

Методология CASH представляет собой новый класс экспериментов по поиску тёмной материи. Ранее подобные установки — например, ADMX (США) и ORGAN (Австралия) — использовали методы усиления сигнала, ограниченные квантовым шумом. Российская команда впервые реализует принцип "подсчёта фотонов вместо усиления сигнала", что открывает возможности для:

• измерений при крайне слабых потоках энергии;

• работы в ранее недоступных диапазонах масс;

• тестирования квантовых моделей взаимодействия материи и электромагнетизма.

Возможные результаты

Если эксперимент подтвердит существование аксионов, это станет революцией в физике - будет найден ключ к природе тёмной материи и к пониманию эволюции Вселенной.

Если же сигналов не обнаружат, результат всё равно окажется ценным: он сузит параметрическое пространство возможных свойств аксионов и поможет другим исследовательским группам точнее настраивать свои эксперименты.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: полагаться исключительно на косвенные астрономические наблюдения тёмной материи.

• Последствие: отсутствие экспериментальных подтверждений существования аксионов.

• Альтернатива: использовать прямые методы регистрации фотонов, возникающих из конверсии аксионов в лабораторных условиях — как в проекте CASH.

А что если аксионы будут найдены?

Обнаружение аксионов подтвердит, что тёмная материя состоит из нового класса частиц, слабо взаимодействующих с обычным веществом. Это повлечёт пересмотр фундаментальных физических моделей — от структуры галактик до законов ранней космологии. Более того, аксионы могут оказаться ключом к квантовым технологиям, ведь их свойства близки к свойствам сверхлёгких бозонов.

Плюсы и минусы проекта CASH

Интересные факты

1. Джозефсоновские переходы, используемые в CASH, также применяются в квантовых компьютерах как сверхчувствительные элементы.

2. Аксионы могут объяснить не только тёмную материю, но и некоторые аномалии в наблюдениях реликтового излучения.

3. Термин галоскоп происходит от греческого "галаксия" — "млечный путь" и латинского scopeo - "наблюдать".

Исторический контекст

Поиск аксионов продолжается уже более 40 лет. Первые идеи о галоскопах появились в 1983 году, а настоящий прорыв ожидается именно благодаря новому поколению квантовых детекторов, подобных тем, что создают российские физики. Проект CASH укрепляет позиции России в международных исследованиях тёмной материи и открывает путь к будущим совместным экспериментам с лабораториями Европы и США.