Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-14-5
Прецессия спина электрона поможет найти аксионы

Июль 2018

Физики-теоретики из Университета Брауна предложили новый способ поиска аксионов, который основан на прецессии спина электронов — ученые показали, что в присутствии аксионов сильное электрическое поле ведет себя аналогично магнитному и заставляет спины частиц поворачиваться. В экспериментах такого типа флуктуации внешних магнитных полей не будут существенно сказываться на результатах. Статья опубликована в Physical Review D и находится в свободном доступе.

Аксионы оказались хорошим кандидатом на роль темной материи — они практически не взаимодействуют с частицами Стандартной модели и имеют массу, хотя и очень маленькую. Правда, наряду с аксионами могут существовать и другие легкие частицы с похожими свойствами, которые не имеют отношения к сохранению CP-инвариантности, но естественным образом возникают в теории струн. В основном поиски полагаются на тот факт, что включение аксионов в Стандартную модель модифицирует уравнения Максвелла и добавляет к ним новое взаимодействие, пропорциональное произведению напряженностей электрического и магнитного поля. Это позволяет экспериментаторам построить «радио для темной материи», в котором вероятность распада аксиона увеличивается за счет настройки резонансной частоты магнитной полости, или использовать другие магнитные эффекты.

В новой статье физики-теоретики Стефон Александр (Stephon Alexander) и Роберт Симс (Robert Sims) предложили принципиально новый способ детектирования аксионов, основанный на их непосредственном взаимодействии с электронами. Для простоты ученые рассмотрели простейшую модель связи между электромагнитным и аксионным полем, включающую в себя один дополнительный бозон Хиггса (extra Higgs singlet).

К преимуществам предложенного метода можно отнести тот факт, что прецессия электронов регулируется в нем величиной электрического поля, а не магнитного — а следовательно, колебания внешних магнитных полей, которые обычно мешают измерить тонкие эффекты, будут меньше сказываться на результатах. Авторы предполагают, что эти поля даже не придется подавлять, чтобы увидеть прецессию. Тем не менее, ученые отмечают, что тепловые флуктуации также будут поворачивать спины электронов в случайных направлениях и мешать измерить прецессию, а потому предполагаемую экспериментальную установку надо будет охлаждать до очень низкой температуры.

На протяжении последних двадцати лет внимание физиков было сосредоточено на тяжелых частицах темной материи (вимпах, WIMP), имеющих массу более десяти гигаэлектронвольт. Тем не менее, все эксперименты по поиску вимпов закончились отрицательно — например, последние данные эксперимента XENON1T практически полностью исключили частицы с массами от 6 до 200 гигаэлектронвольт. Поэтому в настоящее время физики постепенно переключаются на поиски других видов темной материи. Например, в ноябре прошлого года ученые из Университета Брауна предложили схему детектора, основанного на квантовом испарении жидкого гелия и способного увидеть частицы темной материи с массой менее одного мегаэлектронвольта.

_{nplus1, 12 июля 2018, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2018/07/12/axions-precession}

_{Журнал Physical Review D, 2018}

_{Стефон Александр (Stephon Alexander) и Роберт Симс (Robert Sims) из Университета Брауна}

_{https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.98.015011}