|
Поиск аксионов темной материи
|
|
|
|
Аксионы - это гипотетические легкие частицы, которые могут решить две разные физические задачи, поскольку они могут объяснить, почему некоторые ядерные взаимодействия не нарушают симметрию времени, а также являются перспективными кандидатами в темную материю. Темная материя - это тип материи, который не излучает, не отражает и не поглощает свет и никогда ранее непосредственно не наблюдался.
|
|
|
|
Аксионы - это очень легкие частицы, которые, как предполагается, возникли в ранней Вселенной, но все еще присутствуют в ней сегодня. Предполагается, что эти частицы очень слабо взаимодействуют с обычной материей и иногда превращаются в фотоны (то есть легкие частицы), особенно в присутствии сильного магнитного поля.
|
|
|
|
Сотрудничество QUAX (Quest for Axions/QUaerere AXion) - это большая группа исследователей из различных институтов Италии, которая была создана для поиска аксионов с использованием двух галоскопов, расположенных в Италии, в Национальной лаборатории Леньяро (LNL) и Национальной лаборатории Фраскати (LNF), соответственно.
|
|
|
|
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, ученые сообщают о результатах своего последнего поиска аксионов темной материи с использованием микроволнового резонатора, погруженного в сильное магнитное поле, и аксионно-фотонной связи.
|
|
|
|
|
|
|
"Наша статья является продолжением исследовательской работы INFN (Национального института ядерной физики) по аксионам, которая ведется с 2015 года", - рассказали Джозуэ Сардо Инфирри и Пино Руозо, участники сотрудничества QUAX Phys.org.
|
|
|
|
"Наша цель - создать высокочастотный галоскоп (т.е. работающий на частоте выше 10 ГГц, с чувствительностью, соответствующей теоретически обоснованным моделям). В документе представлен последний важный шаг в сотрудничестве на пути к этой цели.
|
|
|
|
"Мотивация к поиску аксионов проистекает из того факта, что проблема темной материи имеет первостепенное значение для физического сообщества, а также из того факта, что аксион является одним из наиболее мотивированных кандидатов".
|
|
|
|
Поскольку масса аксиона неизвестна, эксперимент по поиску аксионов должен быть способен обнаруживать аксионы в широком диапазоне возможных значений массы. Ключевая идея, лежащая в основе недавних усилий коллаборации QUAX, заключается в том, чтобы обеспечить чувствительность в области с высокой массой, ранее не исследованной другими экспериментами.
|
|
|
|
Приборы, на которые полагаются исследователи, обладают чрезвычайно высокой чувствительностью, что позволяет им исследовать широкий диапазон значений массы выше 40 микроэВ, область, представляющую особый интерес в соответствии с недавними теоретическими предсказаниями. Используемые ими приборы, известные как галоскопы, представляют собой сложные системы, предназначенные для быстрого преобразования аксионов в обнаруживаемые фотоны и улавливания соответствующих сигналов.
|
|
|
|
"Коллаборация QUAX занимается поиском энергии, выделяемой за счет взаимодействия аксионов с виртуальными фотонами, исходящими из магнитного поля", - пояснили Сардо Инфирри и Руосо.
|
|
|
|
"В таком случае сигнал представляет собой очень малое превышение мощности на определенной частоте, которую мы не знаем, над уровнем шума. Для обнаружения этого слабого сигнала мы используем медный резонатор, помещенный в магнитное поле".
|
|
|
|
В этом медном резонаторе, находящемся под воздействием магнитного поля, аксионы, как ожидается, будут выделять очень малую избыточную мощность при преобразовании в реальные фотоны. Эта очень малая мощность может быть собрана правильно подключенной антенной и обнаружена с помощью цепочки детектирования, основанной на квантовом усилителе с ограниченным диапазоном. Для поиска различных масс цепь обнаружения работает в широком диапазоне частот.
|
|
|
|
"Открывая резонатор, мы меняем его частоту и, следовательно, возможную преобразованную аксионную массу", - говорят авторы. "Для любой апертуры резонатора мы можем различать чистый шум и наличие сигнала".
|
|
|
|
Коллаборация QUAX пока не зафиксировала никаких сигналов, которые соответствовали бы преобразованию аксионов в фотоны. Тем не менее, их недавний поиск продемонстрировал настраиваемость их частично автоматизированной системы, подчеркнув ее потенциал как инструмента для зондирования сигналов на различных частотах, которые могут быть связаны с преобразованием аксионов в фотоны.
|
|
|
|
"Наш первоначальный поиск заложил основу для создания работоспособного галоскопа, который мог бы автономно работать на высокой частоте", - сказали Сардо Инфирри и Руосо.
|
|
|
|
"Наш вклад в научное сообщество заключается в адаптации галоскопа к более высоким частотам, что открывает новый диапазон масс аксионов для зондирования. Важные последствия аксионного поиска заключаются в следующем: если будет обнаружен аксионный след, у нас будут первые доказательства существования темной материи, в то время как его отсутствие будет исключать только некоторые теоретические модели этой темной материи".
|
|
|
|
В настоящее время сотрудничество QUAX планирует следующие исследования axion с использованием галоскопов, базирующихся в LNL и LNF. В своих будущих экспериментах они оба планируют еще больше повысить чувствительность галоскопов и искать аксионы с массами в расширенном диапазоне, подобные тем, которые они искали в своем недавнем исследовании.
|
|
|
|
"В наших следующих исследованиях мы также планируем максимально расширить исследуемую область, используя больше и более совершенных полостей", - добавили Сардо Инфирри и Руозо.
|
|
|
|
"Мы также хотели бы полностью автоматизировать систему, чтобы мы могли включить ее и позволить ей получать данные автономно".
|
|
|
|
Источник
|
