Ученые используют квантовый галлоскоп для поиска аксионов — кандидатов в темную материю

Международная коллаборация QUAX продолжает поиск аксионов — гипотетических легких частиц, которые могут составлять темную материю. В своей последней работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, ученые использовали усовершенствованный галлоскоп — прибор, который должен зафиксировать превращение аксионов в фотоны в сильном магнитном поле.

Последние ступени криостата, охлаждающего резонатор и электронику системы. Автор: QUAX Collaboration.

Аксионы являются перспективными кандидатами для объяснения природы темной материи, которая не взаимодействует со светом и до сих пор не обнаружена напрямую. Считается, что эти частицы могут превращаться в фотоны в присутствии мощного магнитного поля.

Эксперимент QUAX использует медный резонатор (полость), помещенный в магнитное поле. Если аксионы существуют, они должны оставлять в этой полости крошечный избыток мощности, который можно зафиксировать с помощью квантового усилителя. Для поиска аксионов разной массы ученые меняют резонансную частоту полости.

Медный резонатор, используемый в эксперименте. Автор: QUAX Collaboration.

В ходе последнего исследования, которое охватило ранее не изученную область высоких масс (выше 40 микроэлектронвольт), сигналов, указывающих на аксионы, обнаружено не было. Однако ученым удалось продемонстрировать работоспособность и настраиваемость своей системы на высоких частотах.

«Наш вклад в научное сообщество — это адаптация галлоскопа для работы на более высоких частотах, что открывает новый интервал масс для поиска аксионов», — пояснили участники коллаборации Джозуэ Сардо Инфирри и Пино Руозо.

В ближайших планах исследователей — повышение чувствительности галлоскопов, установленных в лабораториях Легнаро и Фраскати (Италия), и полная автоматизация системы для длительного автономного сбора данных.

Интересный факт: несмотря на то, что аксионы были предложены теоретически еще в 1970-х годах для решения проблемы нарушения CP-симметрии в квантовой хромодинамике, их экспериментальные поиски стали особенно активными лишь в последние 10-15 лет, когда они были признаны одним из наиболее вероятных кандидатов на роль частиц темной материи.