Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-13-5
Прототип ABRACADABRA не помог найти темную материю

Март 2019

Физики опубликовали детальное описание нового эксперимента по поиску сверхлегких частиц темной материи ABRACADABRA и подвели итоги работы прототипа. Полноценная установка будет чувствительна к сигналу частиц с массами от 10^-12 до 10^-6 электронвольт, а прототип работал с диапазоном от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт. Такими массами могут обладать несколько кандидатов на роль частиц темной материи, в том числе аксионы. Искомых событий в рамках наблюдений с прототипом найдено не было. Результаты приняты к публикации в журнале Physical Review Letters, препринт статьи доступен на сервере arXiv.org.

До недавнего времени наибольшей популярностью пользовалась модель вимпов (WIMPs, Weakly interacting massive particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). По массе эти частицы должны быть в десятки раз тяжелее протона, однако ни опыты по прямой регистрации, ни эксперименты на коллайдерах не нашли искомых сигналов. Из-за этого многие ученые начали уделять активное внимание альтернативным моделям.

Среди альтернативных вимпам идей есть класс теорий, в рамках которых темная материя состоит из очень легких частиц. В частности, к этому типу относится «размытая» темная материя, массивный темный фотон и аксионы.

К идее аксионов вновь вернулись в контексте темной материи, так как они хорошо вписывались в модель темной материи из легких частиц. В отличие от многих других вариантов, у аксионов должно быть специфическое взаимодействие с электромагнитным полем в определенных условиях, так как аксион и фотон с точки зрения теории оказываются связаны. В частности, в сильных полях одни должны превращаться в другие. Именно это свойство является концептуальной основой экспериментов, называемых «свет сквозь стену»: мощный поток света направляют в магнитное поле перед стенкой, фотоны поглощаются, а аксионы проходят сквозь нее, после чего часть из них превращается обратно в фотоны, которые регистрирует приемник.

В основе эксперимента ABRACADABRA (A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus — широкополосный резонансный подход к поиску космических аксионов с усиливающей сигнал кольцевой установкой, создающей магнитное поле) лежит эффект порождения переменного магнитного поля при попадании аксиона в постоянное поле. В таком случае должно создаваться поле, аналогичное генерируемому переменным током, чей вектор плотности параллелен внешнему полю. Детектором в данном случае является СКВИД-магнитометр, помещенный в центр тороидального магнита. Так как масса аксионов невелика, то и появляющееся поле будет слабое — ученые создавали установку с надеждой зафиксировать колебания на уровне 20 аттотесла, то есть примерно в 10¹² раз слабее магнитного поля Земли.

В то время как большинство экспериментом по поиску аксионов искали частицы с массами от 10 до 100 микроэлектровольт, ABRACADABRA чувствительна к еще более легким частицам. Регистраций зафиксировано не было, что позволило установить ограничения на степень спаривания аксиона с фотоном. Данные результаты получены за месяц работы и уже почти достигают по точности оценки более крупного эксперимента CAST.

_{nplus1.ru, 29 марта 2019, Тимур Кешелава}

_{https://nplus1.ru/news/2019/03/29/ABRACADABRA}

_{Сервер arXiv.org. 2018}

_{https://arxiv.org/abs/1810.12257}