Эксперимент по темной материи не находит никаких признаков аксионов
Физики из Массачусетского технологического института и других стран провели первый запуск нового эксперимента по обнаружению аксионов — гипотетических частиц, которые, по прогнозам, будут одними из самых легких частиц во вселенной. Если бы они существовали, аксионы были бы практически невидимы, но неизбежны; они могут составлять почти 85 процентов массы вселенной в форме темной материи.
Аксионы особенно необычны тем, что они должны изменить правила электричества и магнетизма на минимальном уровне. В статье, опубликованной сегодня в Physical Review Letters , команда под руководством MIT сообщает, что в первый месяц наблюдений эксперимент не обнаружил никаких признаков аксионов в диапазоне масс от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт. Это означает, что аксионы в этом диапазоне масс, который эквивалентен приблизительно одной квинтиллиону массы протона, либо не существуют, либо оказывают на электричество и магнетизм еще меньшее влияние, чем считалось ранее.
«Это первый раз, когда кто-либо непосредственно смотрит на это аксионное пространство», — говорит Линдли Уинслоу, главный исследователь эксперимента и профессор физики в MIT Джерролд Р. Захариас. «Мы очень рады, что теперь можем сказать:« У нас есть способ посмотреть здесь, и мы знаем, как добиться большего! »
Соавторы Уинслоу MIT включают в себя ведущий автор Джонатан Ouellet, Кьяра Салеми, Захари Богорад, Джанет Конрад, Джозеф Формаджо, Джозеф Минервини, Алексей Радовинский, Джесси Талер и Даниэль Винклехнер, а также исследователи из восьми других учреждений.
Магнетары и манчкины
В то время как считается, что они везде, аксионы, как предсказывают, будут фактически подобны призраку, имея только крошечные взаимодействия с чем-либо еще во вселенной.
«Как темная материя, они не должны влиять на вашу повседневную жизнь», — говорит Уинслоу. «Но считается, что они влияют на вещи на космологическом уровне, такие как расширение вселенной и формирование галактик, которые мы видим в ночном небе».
Из-за их взаимодействия с электромагнетизмом аксионы теоретически имеют удивительное поведение вокруг магнетаров — типа нейтронной звезды, которая взбивает чрезвычайно мощное магнитное поле . Если присутствуют аксионы, они могут использовать магнитное поле магнетара для преобразования себя в радиоволны , которые можно обнаружить с помощью специальных телескопов на Земле.
В 2016 году трио теоретиков Массачусетского технологического института разработало мысленный эксперимент по обнаружению аксионов, вдохновленный магнетаром. Эксперимент был назван ABRACADABRA для широкополосного / резонансного подхода к обнаружению космического аксиона с помощью устройства с кольцевым усилением B-поля и был задуман Талером, который является доцентом физики и научным сотрудником в Лаборатории ядерной науки и Центр теоретической физики, вместе с Бенджамином Сафди, затем сотрудником MIT Паппалардо и бывшим аспирантом Йонатаном Каном.
Команда предложила конструкцию маленького, напоминающего пончик магнита, который хранится в холодильнике при температуре чуть выше абсолютного нуля. Без аксионов не должно быть магнитного поля в центре пончика или, как говорит Уинслоу, «там, где должен быть манчкин». Однако, если существуют аксионы, детектор должен «видеть» магнитное поле в середине пончика.
После того, как группа опубликовала свой теоретический проект, Уинслоу, экспериментатор, приступил к поиску способов действительно построить эксперимент.
«Мы хотели найти сигнал аксиона, где, если мы его видим, это действительно аксион», — говорит Уинслоу. «Вот что было элегантно в этом эксперименте. Технически, если вы видели это магнитное поле, это мог быть только аксион, из-за конкретной геометрии, о которой они думали».
В сладком месте
Это сложный эксперимент, потому что ожидаемый сигнал составляет менее 20 атто-Тесла. Для справки: магнитное поле Земли составляет 30 микротесла, а волны человеческого мозга — 1 пикоселла. При построении эксперимента Уинслоу и ее коллегам пришлось столкнуться с двумя основными проблемами проектирования, первая из которых касалась холодильника, который использовался для поддержания всего эксперимента при ультрахолодных температурах. В холодильнике была система механических насосов, чья активность могла генерировать очень слабые вибрации, которые, как беспокоился Уинслоу, могли маскировать сигнал аксиона.
Вторая проблема была связана с шумом в окружающей среде, например, от соседних радиостанций, включением и выключением электроники по всему зданию и даже светодиодными огнями на компьютерах и электронике, которые могли генерировать конкурирующие магнитные поля.
Команда решила первую проблему, повесив всю конструкцию, используя тонкую, как зубная нить, нить. Вторая проблема была решена сочетанием холодного сверхпроводящего экранирования и теплого экранирования вокруг внешней части эксперимента.
«Мы могли бы, наконец, взять данные, и была приятная область, в которой мы были выше вибраций холодильника и ниже шума окружающей среды, вероятно, от наших соседей, в котором мы могли бы провести эксперимент».
Исследователи сначала провели серию тестов, чтобы подтвердить, что эксперимент работал и точно показывает магнитные поля. Самым важным испытанием было введение магнитного поля для имитации поддельного аксиона, и чтобы увидеть, что детектор эксперимента дал ожидаемый сигнал, указывающий, что если реальный аксион взаимодействует с экспериментом, он будет обнаружен. На данный момент эксперимент был готов к работе.
«Если вы берете данные и запускаете их через аудиопрограмму, вы можете услышать звуки, которые издает холодильник», — говорит Уинслоу. «Мы также видим, как другие звуки включаются и выключаются, когда кто-то делает что-то по соседству, а затем этот шум уходит. И когда мы смотрим на это приятное место , оно держится вместе, мы понимаем, как работает детектор, и он становится достаточно тихим. услышать аксионы. »
Видя рой
В 2018 году команда провела первый прогон АБРАКАДАБРА с непрерывным отбором проб в период с июля по август. Проанализировав данные этого периода, они не обнаружили никаких свидетельств наличия аксионов в диапазоне масс от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт, которые изменяют электричество и магнетизм более чем на одну часть на 10 миллиардов.
Эксперимент предназначен для обнаружения аксионов еще меньшей массы, вплоть до примерно 1 фемтоэлектронвольт, а также аксионов размером до 1 микроэлектронвольт.
Команда продолжит проведение текущего эксперимента размером с баскетбольный мяч, чтобы найти еще меньшие и более слабые аксионы. Тем временем Уинслоу пытается выяснить, как увеличить масштаб эксперимента до размеров компактного автомобиля — размеров, которые могли бы позволить обнаруживать даже более слабые аксионы.
«Существует реальная возможность большого открытия на следующих этапах эксперимента», — говорит Уинслоу. «Что мотивирует нас — это возможность увидеть что-то, что изменило бы поле. Это физика с высоким риском и высокой выгодой».
