Колектив дослідників ADMX, які працюють в університетах у США та Європі, нещодавно провів новий пошук гіпотетичної частинки темної матерії - невидимого аксіону з використанням порожнього галогеноскопа і параметричного підсилювача Джозефсона.
Порожні галогеноскопи - це чутливі прилади, призначені для виявлення і вивчення гало навколо тіл, що світяться, або інших фізичних явищ. Параметричні підсилювачі Джозефсона, з іншого боку, є технологічними інструментами, які можна використовувати для управління квантовими станами мікрохвильових світлових полів.
У своїй недавній роботі, опублікованій в Physical Review Letters, дослідники шукали аксіони темної матерії в гало галактики в діапазоні мас 2,81-3,31 мкЕв. Результати цього пошуку можуть допомогти виключити попередні теоретичні передбачення, інформуючи про майбутнє пошуку невидимої аксійної темної матерії.
Минулі фізичні дослідження виявили, що те, що ми зазвичай вважаємо матерією, становить лише приблизно 15% від загальної маси всесвіту. Вважається, що решта 85% складаються з частинок, які не поглинають, не випромінюють і не відображають світло і, отже, не можуть бути виявлені з використанням традиційних методів вивчення речовини.
Цей несвітний матеріал, відомий як темна матерія, залишається однією з найбільших загадок у сучасній фізиці, оскільки дослідники досі не впевнені, чи існує вона і з чого вона складається. Хоча в даний час проводяться незліченні пошуки темної матерії з використанням різних інструментів, цей загадковий матеріал досі ніколи не спостерігався і не виявлявся.
"Одне з можливих рішень проблеми темної матерії може бути знайдено в іншій галузі фізики, а саме в ядерній фізиці, у формі ще однієї загадки, відомої як" сильна СР-проблема ", - пояснили вчені.
"Популярне рішення проблеми пророкує існування нової частинки, відомої як аксіон, і властивості аксіону роблять його невідпорним кандидатом на темну матерію. У пошуку частинки темної матерії - аксіона, співпраця ADMX сподівається вирішити обидві проблеми - сильну СР-проблему і загадку природи темної матерії.
Полісний галогоскоп, який використовують вчені, складається з резонансної порожнини, поміщеної всередину великого магнітного поля. Згідно з теоретичними прогнозами, аксиони темної матерії в гало галактики повинні з'єднуватися з магнітним полем в порожнині і виробляти фотони.
Кількість вироблених фотонів, ймовірно, буде дуже маленькою, що ускладнить виявлення результуючого сигналу. Однак, налаштувавши резонансну порожнину всередині аксійного галогоскопу на ту ж частоту, що і фотони, можна збільшити кількість фотонів, вироблених галактичним гало.
«У певному розумінні наш пошук аксіону дуже схожий на роботу радіо», - кажуть дослідники. "Оскільки радіостанція має свою частоту, її можна встановити на різних приймачах. У цьому відношенні наш експеримент схожий, за винятком того, що ми не знаємо частоту нашої радіостанції, а сигнал набагато слабший ".
Пошук аксіонів триває вже кілька десятиліть, і вчені вже провели ряд таких пошуків, використовуючи своє обладнання. Хоча вони досі не змогли виявити невидимі аксіони, результати їх недавнього експерименту виключають діапазон мас аксіонів, які раніше були передбачені еталонними теоретичними моделями темної матерії.
«Фактично це вдруге, коли наш експеримент досяг такої чутливості, але цього разу ми потроїли діапазон, який ми охопили в нашому попередньому дослідженні», - кажуть дослідники. «Досягнувши і розширивши цю чутливість, ми показали, що в подальшому пошуку аксійної темної матерії ADMX являє собою одну з кращих надій на її пошук».
Проведені спостереження можуть допомогти в майбутніх пошуках аксіонів темної матерії, а також прокласти шлях для нових теоретичних передбачень. Вчені зараз проводять новий пошук аксійної темної матерії на більш високих частотах. Якщо цей пошук також виявиться невдалим, вони планують продовжити пошук невидимих аксіонів на ще більших частотах.