Фізики з Массачусетського технологічного інституту та інших країн провели перший запуск нового експерименту з виявлення аксіонів - гіпотетичних частинок, які, за прогнозами, будуть одними з найлегших частинок у всесвіті. Якби вони існували, аксиони були б практично невидимі, хоча вони можуть становити майже до 85 відсотків маси всесвіту у формі темної матерії.
Аксиони особливо незвичайні тим, що вони повинні змінити правила електрики і магнетизму на самому мінімальному рівні. У статті, опублікованій в Physical Review Letters, фізики повідомляють, що в перший місяць спостережень експеримент не виявив жодних ознак аксіонів в діапазоні мас від 0,31 до 8,3 наноелектронвольт.
Це означає, що аксиони в цьому діапазоні мас, який еквівалентний приблизно одній квінтильйону маси протона, або не існують, або надають на електрику і магнетизм ще менший вплив, ніж вважалося раніше.
У той час як вважається, що вони всюдисущі, аксіони, як передбачають, будуть фактично подібні до примари, маючи тільки крихітні взаємодії з чим-небудь ще у всесвіті.
«Як темна матерія, вони не повинні впливати на ваше повсякденне життя», - кажуть вчені. «Але вважається, що вони впливають на речі на космологічному рівні, такі як розширення всесвіту і утворення галактик, які ми бачимо в нічному небі».
Через їх взаємодію з електромагнетизмом аксиони теоретично мають дивовижну поведінку навколо магнетарів - типу нейтронної зірки, яка випромінює надзвичайно потужне магнітне поле. Якщо присутні аксіони, вони можуть використовувати магнітне поле магнетара для перетворення себе в радіохвилі, які можна виявити за допомогою спеціальних телескопів на Землі.
У 2016 році тріо теоретиків Массачусетського технологічного інституту розробило подумковий експеримент з виявлення аксіонів, натхненний магнетаром. Експеримент був названий ABRACADABRA для широкосмугового/резонансного підходу до виявлення аксіонів за допомогою пристрою з кільцевим посиленням B-поля.
Фізики запропонували конструкцію маленького, що нагадує пончик магніту, який зберігається в холодильній камері при температурі трохи вище абсолютного нуля. Без аксіонів не повинно бути магнітного поля в центрі пончика. Однак, якщо існують аксіони, детектор повинен «бачити» магнітне поле в середині пончика.
Після того, як група вчених опублікувала свій теоретичний проект, Ліндлі Вінслоу, фізик-експериментатор, приступив до пошуку способів дійсно провести такий експеримент.
«Ми хотіли знайти сигнал аксіону, там, де, якщо ми його бачимо, це дійсно аксіон», - говорить Вінслоу. "Ось що було елегантно в цьому експерименті. Технічно, якщо ви бачили це магнітне поле, це міг бути тільки аксіон, через конкретну геометрію, про яку ми думали ".
Це складний експеримент, тому що очікуваний сигнал становить менше 20 атто-Тесла. Для довідки: магнітне поле Землі становить 30 мікротеслу, а хвилі людського мозку - 1 пікотесла.
При побудові експерименту Вінслоу і її колегам довелося зіткнутися з двома основними завданнями проектування, перша з яких полягала в тому, що холодильник використовувався для підтримки всього експерименту при ультрахолодних температурах. У камері була система механічних насосів, чия активність могла генерувати дуже слабкі вібрації, які могли маскувати сигнал аксіону.
Друга проблема була пов'язана з шумом в навколишньому середовищі, наприклад, від сусідніх радіостанцій, включенням і вимиканням електроніки по всій будівлі і навіть світлодіодними вогнями на комп'ютерах і електроніці, які могли генерувати конкуруючі магнітні поля.
Команда вчених вирішила першу проблему, повісивши всю конструкцію розміром з футбольний м'яч на надтонку нитку. Друга проблема була вирішена поєднанням холодного надпровідного екранування і теплого екранування навколо зовнішньої частини експерименту.
Дослідники спочатку провели серію тестів, щоб підтвердити, що експеримент працював і точно показував магнітні поля. Найважливішим випробуванням було введення магнітного поля для імітації підробленого аксіону, щоб побачити, що детектор експерименту дав очікуваний сигнал, який вказує, що якщо реальний аксіон взаємодіє з експериментом, він буде виявлений. Після цього все було готове до роботи.
У 2018 році команда вчених провела перший прогін ABRACADABRA з безперервним відбором проб у період з липня по серпень. Проаналізувавши дані цього періоду, вони не виявили ніяких свідчень наявності аксіонів в діапазоні мас від 0,31 до 8,3 наноелектронвольт, які змінюють електрику і магнетизм більш ніж на одну частину з 10 мільярдів.
Експеримент призначений для виявлення аксіонів ще меншої маси, аж до приблизно 1 фемтоелектронвольт.
Команда продовжить проведення поточного експерименту, щоб знайти ще менші і слабші аксіони. Тим часом Вінслоу намагається з'ясувати, як збільшити масштаб експерименту з нинішнього до розмірів компактного автомобіля - розмірів, які могли б дозволити виявляти навіть слабші аксіони.
«Існує реальна можливість великого відкриття на наступних етапах експерименту», - говорить Вінслоу. "Що мотивує нас - це можливість побачити щось, що змінило б поле. Це фізика з високим ризиком і великою надією ".