Студенты построили «космическое радио» для поисков темной материи

Салама (слева) и Акгюмюш (справа) с экспериментальной установкой. Кредит: Набиль Салама и Агит Акгюмюш

Современная космология часто ассоциируется с масштабными обсерваториями, передовыми инструментами и крупными международными коллаборациями. Однако, как показали студенты из Гамбургского университета, важные открытия можно делать и в небольших лабораториях. Группа студентов-бакалавров спроектировала и построила резонаторный детектор для поиска аксионов — одних из главных кандидатов на роль частиц темной материи.

Результаты их работы, опубликованные в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), демонстрируют, что даже эксперименты с ограниченными ресурсами способны продвинуть решение одной из самых больших загадок физики.

Студенческое финансирование и поддержка университета

Проект был реализован благодаря гранту для студентов от Гамбургского университета, предоставленному центром междисциплинарного обучения Hub for Crossdisciplinary Learning. Эта программа поддерживает независимые исследовательские проекты под руководством студентов.

«Мы были своего рода частью исследовательской группы эксперимента по темной материи MADMAX, — объясняет Набиль Салама, один из авторов исследования и магистрант физики в Гамбургском университете. — MADMAX проводит аналогичный эксперимент, но в гораздо более крупном и сложном масштабе, и мы воспользовались их опытом и поддержкой».

«Мы очень благодарны за эту помощь, — добавляет он, — а также Гамбургскому университету и кластеру передового опыта Quantum Universe, которые предоставили финансирование, доступ к ключевому оборудованию, такому как магнит, и неоценимую поддержку исследователей».

Создание простого детектора для поиска аксионов

«Прелесть работы с темной материей, или аксионами, в том, что мы ожидаем ее присутствия повсюду в нашей галактике, — говорит Агит Акгюмюш, первый автор исследования, изучающий математическую физику в Гамбургском университете. — Так что, по сути, где бы вы ни проводили эксперимент, у вас есть немного темной материи, с которой можно работать».

Используя финансирование, команда собрала компактную экспериментальную установку, основанную на резонансной полости из высокопроводящих материалов. Они также интегрировали необходимую электронику, кабели, опоры и измерительные приборы.

«Детектор, который мы построили, — это, по сути, простейшая версия резонаторного детектора темной материи», — говорит Салама.

Студенты не начинали с нуля. Они использовали существующее оборудование и руководство со стороны университета и сотрудничающих исследовательских групп. После сборки система была тщательно протестирована, откалибрована и запущена для сбора данных.

«Мы свели очень сложные эксперименты к их основным компонентам, — говорит Салама. — В результате получилась менее чувствительная установка, ограниченная небольшим окном поиска, но все еще способная производить новые научные данные».

Отсутствие обнаружения, но важные новые ограничения

«Поиск аксионов включает исследование широкого диапазона возможных параметров, — добавляет Акгюмюш. — Наш эксперимент охватывает лишь небольшую область с ограниченной чувствительностью, но он все равно помогает сузить круг возможностей. Чтобы действительно найти частицу, нужны либо гораздо более масштабные эксперименты, либо множество разных, каждый из которых будет исследовать свою область».

После завершения сбора данных команда не обнаружила сигнала, который можно было бы приписать аксионам. Однако этот результат имеет научную ценность. Он позволяет исследователям исключить существование аксионов с определенными характеристиками в протестированном диапазоне масс, особенно тех, которые сильнее взаимодействуют с фотонами. Исключая эти возможности, исследование помогает уточнить поиск и направить будущие эксперименты.

Модель для масштабируемых экспериментов по темной материи

«Я думаю, смысл нашего эксперимента в том, что вещи можно делать в меньшем масштабе», — говорит Салама. Акгюмюш добавляет: «Наши результаты, естественно, более ограничены, чем у более крупных экспериментов. Производительность масштабируется с ресурсами и сложностью. Однако мы показали, что можно уменьшить эти установки до гораздо меньшего масштаба — даже до проектов, разработанных почти независимо студентами, — и при этом получать реальные научные данные».

Во время рецензирования один из рецензентов сделал особенно примечательное замечание, вспоминает Салама. Рецензент предположил, что после открытия аксиона и определения его свойств, особенно массы, подобные эксперименты могут стать гораздо более доступными и даже использоваться в учебных лабораториях.

«Нам сказали, что такие установки, как наша, однажды могут стать стандартными студенческими лабораторными работами, — говорит Салама. — В некотором смысле мы, возможно, предвосхитили это будущее, показав, что уже сейчас можно построить и запустить такой эксперимент в малом масштабе».

Источники:

Материалы предоставлены Sissa Medialab.

M.A. Akgümüs, N. Salama, J. Egge, E. Garutti, M. Maroudas, L.H. Nguyen, D. Leppla-Weber. A new limit for axion dark matter with SPACE. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2026; 2026 (04): 054 DOI: 10.1088/1475-7516/2026/04/054