|
Результаты поиска аксионов темной материи
|
|
|
|
Аксионы, гипотетические субатомные частицы, которые были впервые предложены физиками-теоретиками в конце 1970-х годов, остаются одними из наиболее многообещающих кандидатов в темную материю. Физические теории предполагают, что взаимодействия между этими частицами и обычной материей чрезвычайно слабы, что делает их очень трудными для обнаружения с помощью обычных экспериментальных установок.
|
|
|
|
Эксперимент HAYSTAC (Haloscope в Йельском университете, чувствительный к аксионной холодной темной материи) - это исследовательское сотрудничество между Йельским университетом, Беркли и Университетом Джона Хопкинса, направленное на обнаружение аксионов путем поиска слабых электромагнитных сигналов, которые они могут генерировать в сильном магнитном поле.
|
|
|
|
В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, коллаборация HAYSTAC сообщила о результатах самого широкого на сегодняшний день поиска аксионов, проведенного с использованием метода, известного как квантовое сжатие, который предназначен для уменьшения квантового шума (т.е. случайных флуктуаций, отрицательно влияющих на измерения их галоскопа).
|
|
|
|
"Аксион был введен, чтобы объяснить отсутствие зарядового сопряжения и асимметрии четности (CP) в сильном взаимодействии, и оригинальная идея о том, как искать аксионы, пришла от Sikivie", - рассказала Рейна Маруяма, соавтор статьи Phys.org. "Стив Ламоро долгое время работал над проблемой сильного CP, начиная со своей работы по поиску постоянного электрического дипольного момента в атомах ртути и нейтронах".
|
|
|
|
|
|
|
Первоначально аксионы были введены теоретиками Фрэнком Вильчеком и Стивеном Вайнбергом для объяснения симметрии обращения времени в сильных ядерных взаимодействиях. Однако в конце концов они также стали возможным кандидатом на роль темной материи, неуловимого типа материи, который лишь слабо взаимодействует с электромагнитным излучением, но, как полагают, составляет большую часть массы Вселенной.
|
|
|
|
"Теоретически, существует параметр в виде чистого числа (тета, греческая буква), который задает уровень асимметрии обращения времени вспять, и в принципе он может быть любым, но его значение ниже 0,0000000001 (10-10), поскольку ограничено главным образом электрическим дипольным моментом нейтрона", - сказал Стив Ламоро, соавтор статьи.
|
|
|
|
"Асимметрия обращения времени, однако, наблюдается при распаде "странных" мезонов, поэтому, почему она должна быть такой малой в ядерном взаимодействии, является загадкой, которая решается аксионом (в собирательном смысле). Пьер Сикиви, по-видимому, был первым, кто оценил, что аксион может служить потенциальной частицей темной материи, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом или электромагнитными полями".
|
|
|
|
О том, что аксионы света могут увеличивать плотность материи во Вселенной, почти одновременно сообщили три различные исследовательские группы. Первую группу возглавляли Сикиви и Лу Эббот, вторую - Майкл Дайн и Вилли Фишлер, а третью - Джон Прескилл, Марк Уайз и Фрэнк Вильчек.
|
|
|
|
Однако вскоре после того, как Сикиви представил идею о том, что аксионы могут быть кандидатами на темную материю, он также изложил концепцию "галоскопа" - галактического детектора аксионов темной материи в гало, прибора, который использует микроволновый резонатор, помещенный в очень сильное магнитное поле. Это магнитное поле должно стимулировать преобразование аксионов в фотоны на радио- или микроволновых частотах, что, в свою очередь, позволит непосредственно их обнаруживать, несмотря на то, что связанные с ними сигналы очень малы.
|
|
|
|
"Пятнадцать лет назад нам казалось, что в то время как эксперименты с микроволновыми резонаторами типа Sikivie продвигались успешно, повышая чувствительность в гигагерцовом диапазоне, необходимы были передовые усилия, чтобы открыть более широкий диапазон масс для постинфляционного аксиона", - сказал Карл ван Биббер, соавтор исследования из газеты. "Эксперимент HAYSTAC был задуман как первооткрыватель и инновационный испытательный стенд для новых концепций усилителей и резонаторов на все более высоких частотах. Это потребовало бы, чтобы наш эксперимент оставался небольшим и гибким".
|
|
|
|
С увеличением частот увеличивались и трудности, с которыми приходилось сталкиваться при попытке обнаружить аксионы с помощью галоскопов. Например, более высокие частоты также приводят к уменьшению объема преобразовательной полости и снижению плотности аксионов при заданной массе гало на единицу объема.
|
|
|
|
На втором этапе своего эксперимента исследователи применили технологии квантовых измерений и использовали квантовое сжатие для повышения чувствительности. На данный момент HAYSTAC является одним из двух экспериментов по всему миру, наряду с более крупным исследовательским проектом Advanced LIGO, который использовал квантовое сжатие для повышения чувствительности измерительных инструментов.
|
|
|
|
Совместная работа HAYSTAC также включила в свою установку внешние холодильники для разбавления, не содержащие криогена, которые не использовались во время предыдущих исследований axion. Как квантовое сжатие, так и холодильники для разбавления позволили им снизить финансовые затраты, связанные с созданием галоскопа и его эксплуатацией.
|
|
|
|
Хотя они не обнаружили никаких сигналов, которые могли бы быть связаны с аксионами, команда смогла провести поиск в большем пространстве параметров. В будущем они планируют продолжить совершенствование оборудования HAYSTAC и продолжить поиски аксионной темной материи, а также работать над другими поисками темной материи с использованием галоскопов и оборудования в Йельском университете.
|
|
|
|
"У нас есть несколько идей по продвижению эксперимента по поиску аксионов с большей массой, и мы работаем над несколькими идеями, основанными на квантовых технологиях, для улучшения методов обнаружения", - сказала Даниэль Спеллер, соавтор статьи.
|
|
|
|
"Эксперимент ALPHA является естественным продолжением, как и обнаружение одиночных фотонов с помощью атомов Ридберга, а также усовершенствование обнаружения, которое мы называем ПРЕКРАЩЕНИЕМ ОГНЯ, описанное в этой статье. "ПРЕКРАЩЕНИЕ ОГНЯ" - это мощная схема квантового усиления, использующая запутывание с двумя полостями и обмен состояниями для ускорения поиска на порядок. Поиск на частоте выше 10 ГГц также открывает новые возможности для создания фотонных структур и, в конечном счете, резонаторов на основе сверхпроводящих метаматериалов, над которыми мы работаем".
|
|
|
|
Эксперимент ALPHA - это более масштабное исследовательское сотрудничество, направленное на обнаружение аксионов со значительно большей массой, в частности, в режиме постинфляционной аксионной массы. В этом эксперименте будет использоваться другой прибор, известный как плазменный галоскоп, который в настоящее время разрабатывается в Йельском университете.
|
|
|
|
Источник
|
