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».
LG представила портативные BLUETOOTH колонки LG PJ2 и PJ3
Ученые сообщили, что Солнце уничтожит Землю через 30 лет
Новая квантовая система может помочь спроектировать лучшую спинтронику
Ветераны проекционного оборудования Vivitek уступают дорогу новинкам
Google Chrome запретит устанавливать расширения со сторонних интернет-ресурсов