«Радио для темной материи» поможет найти темные фотоны

Группа экспериментаторов из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработала прототип устройства, предназначенного для детектирования волн темной материи. Это устройство, работающее по принципу радиоприемника, нацелено на поиск частиц темной материи небольшой массы — в первую очередь так называемых темных фотонов и аксионов. О разработке сообщает Symmetry Magazine.

Темная материя представляет собой невидимое вещество неизвестной природы, которое проявляет себя только через гравитационное взаимодействие на масштабах галактик. По современным представлениям общая масса темной материи во Вселенной в пять раз выше массы обычного вещества. Ученые пытаются поймать гипотетические частицы темной материи с помощью специальных детекторов, но пока безрезультатно.

Все существующие детекторы построены в надежде засечь редкое столкновение частицы темной материи с частицей детектора. Для этого объем рабочего вещества детектора стараются сделать как можно больше. Но такой подход сработает только если темные частицы имеют достаточно большую массу, и их энергии хватит, чтобы столкновение удалось засечь на фоне шума.

Принцип работы нового устройства, которое авторы называют «радио для темной материи», основан на явлении корпускулярно-волнового дуализма — фундаментального свойства нашего мира, согласно которому все элементарные частицы проявляют также и волновые свойства. Например, фотон является частицей света, но поток фотонов обычно воспринимается как электромагнитная волна — в зависимости от его частоты это может быть свет, СВЧ-излучение, радиосигнал и так далее. Но мы знаем, что фотон это все же частица, поскольку попадая на детектор, он всегда вызывает один четкий щелчок, а не нечто «размазанное» в пространстве или времени.

Разработанный прибор будет вести поиски двух конкретных кандидатов в частицы темной материи: темных фотонов и аксионов. Темные фотоны — это гипотетические аналоги привычных нам фотонов, но принадлежащие так называемому темному или скрытому сектору частиц — группе частиц, появляющейся в многочисленных расширениях Стандартной модели элементарных частиц. Аксионы — это также гипотетические частицы из темного сектора, и они могут превращаться в фотоны и обратно в присутствии сильного магнитного поля.

Поиском темных фотонов до этого никто всерьез не занимался, так что в этой области авторы прибора будут первопроходцами. Аксионы уже пытались искать другими методами, но экспериментаторы надеются закрыть неисследованные области его возможных параметров.

«Радиоприемником» свой прибор авторы называют потому, что принцип его работы похож на принцип работы обычного радио - оно ловит радиоволны при помощи антенны и переводит пойманный сигнал в звук. Слушатель при этом может переключаться с одной радиостанции на другую, меняя параметры специального электромагнитного резонатора в виде электрического контура, расположенного внутри. У этого резонатора есть определенная частота резонанса, и радио ловит ту частоту радиосигнала, которая равна частоте этого резонанса. «Радио для темной материи» будет работать в известном смысле аналогично. Его центральным элементом будет также электрический контур с перестраиваемой резонансной частотой. Если частота контура совпадет с частотой волны темной материи, то в контуре могут возникнуть колебания тока, которые удастся засечь.

Ученые будут медленно перестраивать частоту своего радио, в поисках той частоты, на которой присутствует сильный сигнал темной материи. Поскольку, однако, даже в резонансе сигнал от темной материи ожидается слабым — иначе бы его уже давным давно засекли — то для увеличения чувствительности детектора будут использованы специальные магнитометры, известные как сверхпроводящие квантово-интерференционные устройства (СКВИД), которые подключат к усилителям с экстремально низким уровнем шума.

В конечном итоге радио будет способно засечь частицы с массой от нескольких ТэВ до нескольких МэВ (эВ — электрон-вольт, единица в которой принято измерять массу элементарных частиц: например, масса электрона около 0,5 МэВ, а масса протона — около 1 ГэВ). Проблема, однако, заключается в том, что для этого ему придется работать на частотах от килогерца до гигагерца — то есть в том диапазоне, который активно используется для беспроводной связи. Поэтому для защиты от паразитных наводок приемник спрячут под несколькими метрами меди или за сверхпроводящим щитом.

Одним из преимуществ разработанного устройства по сравнению с другими детекторами заключается в том, что его не надо прятать от космических лучей и зарывать на сотни метров под землю. Прибор вполне можно будет разместить в университетской лаборатории.
Сейчас ученые проводят тестирование небольшого прототипа, который способен сканировать лишь относительно небольшой диапазон частот. Планируется, однако, что через некоторое время будет установлено два полноразмерных прибора. Местом их размещения станет Стенфордский университет и SLAC.
Артем Коржиманов