Эксперименты по поиску темных аксионов добрались до проверки теоретических моделей

Ограничения на параметры гипотетических темных аксионов, определенные с помощью детектора ADMX, впервые достигли области значений, предсказываемых существующими теоретическими моделями. Новые измерения ограничивают параметр аксион-фотонной связи в диапазоне масс от 2,66 до 2,81 микроэлектронвольт величиной около 10⁻¹⁰ обратных гигаэлектронвольт, которая «запрещает» теорию Кима—Шифмана—Вайнштейна—Захарова. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

По существующим космологическим оценкам, вклад темной материи в полную массу Вселенной более чем в пять раз превышает вклад обычной материи и достигает 22 процентов. Тем не менее, все свидетельства в пользу существования темной материи носят гравитационный характер, а «вживую», то есть в земных экспериментах, ее частицы никто никогда не видел. Обычно считается, что гипотетические частицы темной материи очень тяжелые, то есть их масса лежит в диапазоне от одного до ста гигаэлектронвольт, и большинство экспериментов по поиску темной материи сосредоточены именно на этом диапазоне. В то же время, существуют и альтернативные теории, которые предсказывают значительно меньшую массу частиц.

Один из таких альтернативных «легковесных» кандидатов — темный аксион. Впервые аксионы появились в статье Роберто Печчеи (Roberto Peccei) и Хелен Квинн (Helen Quinn) от 1977 года, которая разрешала проблему сохранения CP-инвариантности в сильных взаимодействиях. Если точнее, в модели Печчеи—Квинн для объяснения этого явления вводилась некая новая симметрия, при спонтанном нарушении которой возникали псевдоголдстоуновские бозоны — аксионы. Практически сразу после выхода работы Печчеи и Квинн Стивен Вайнберг и Франк Вильчек адаптировали и включили модель аксионов в Стандартную модель. Именно Вильчек предложил назвать «аксион» в честь марки стирального порошка, поскольку новые частицы должны были «очистить» квантовую хромодинамику от проблемы CP-нарушения в сильных взаимодействиях (об этом можно прочитать в Нобелевской лекции Вильчека, раздел 3.4.3).

К сожалению, экспериментально существование аксионов Стандартной модели подтверждено не было. Тем не менее, несколько альтернативных теорий — например, теория Кима—Шифмана—Вайнштейна—Захарова — предсказывают существование так называемых «темных аксионов», которые значительно слабее взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Такие аксионы могут составлять значительную часть темной материи, а их масса может лежать в диапазоне от одного до ста микроэлектронвольт, поэтому важно научиться их детектировать. Пока что все существующие эксперименты по поиску аксионов имеют слишком низкую точность, чтобы проверить какие-либо параметры теорий.

Однако группе ADMX наконец удалось построить такой детектор, который регистрирует аксионы с достаточно высокой точностью, чтобы проверить предсказания теоретических моделей. В основе этого детектора лежит так называемый «галоскоп» (haloscope) — охлажденная до температуры порядка 0,1 кельвина и помещенная в сильное магнитное поле металлическая полость. В присутствии такого поля аксионное поле начинает осциллировать, причем частота осцилляций зависит от массы гипотетических частиц. Если эта частота совпадет с резонансной частотой полости, в ней возникнут фотоны, которые можно зарегистрировать с помощью микроволнового детектора. Следовательно, изменяя резонансную частоту и наблюдая за полостью в течение достаточно длительного промежутка времени, можно подтвердить или опровергнуть существование аксионов с соответствующей массой. В этом эксперименте ученые изменяли резонансную частоту полости, помещая и вынимая из нее металлические стержни, и усиливали резонансные колебания с помощью сверхпроводящих интерферометров (СКВИДов).

Прежде чем перейти к реальным измерениям, ученые отточили технологию распознавания аксионов с помощью компьютерного моделирования. Для этого они смоделировали аксионы с заданной массой и проверили, что будет видеть детектор. Оказалось, что для надежного распознавания сигнала необходимо двадцать раз независимо измерить спектр возбуждений полости в различных диапазонах частот. Это позволило детектировать сигнал, отвечающий массе аксиона, со статистической значимостью около 3σ, то есть с вероятностью ложного срабатывания менее 0,2 процента.

Затем ученые просканировали диапазон частот от 645 до 676 мегагерц, что отвечало массам аксионов от 2,66 до 2,81 микроэлектронвольт соответственно. Всего измерения заняли шесть месяцев и продлились с 18 января по 11 июня 2017 года. Ни одного сигнала, отвечающего аксионам, в течение этого промежутка времени зарегистрировано не было. Тем не менее, точность измерений оказалась так высока, что позволила установить ограничения на параметр аксион-фотонной связи, который описывает взаимодействие между гипотетическими частицами и фотонами Стандартной модели. Оказалось, что этот параметр находится на уровне 10⁻¹⁰ обратных гигаэлектронвольт для всех масс в измеренном диапазоне. В то же время, теория KSVZ (Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov) предсказывает значение около 10⁻⁶, а теория DFSZ (Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky) — около 10⁻¹² обратных гигаэлектронвольт. Другими словами, если аксионы с массами из рассмотренного диапазона все-таки существуют, теории KSVZ они не подчиняются.

В дальнейшем ученые планируют увеличить магнитное поле установки, чтобы ускорить сканирование частот. Вообще говоря, детектор ADMX позволяет проверить теоретические модели, описывающие аксионы с массами от 2 до 3,5 микроэлектронвольт, хотя при текущих параметрах сканирование всего диапазона займет около семи лет.

Помимо эксперимента ADMX, в данный момент поиском аксионов и темных фотонов занимается группа ученых из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, которая использует аналогичные «сканирующие» технологии. А в ноябре прошлого года ученые из университета Брауна предложили альтернативный способ детектирования легких частиц темной материи с массами менее десяти гигаэлектронвольт — для этого можно использовать квантовое испарение жидкого гелия, катализируемое пролетающими сквозь его объем частицами.

Прочитать о том, как ученые ищут самые редкие события в мире элементарных частиц, включая превращения аксионов в фотоны, можно в нашем материале «Раритеты микромира: Возвращение неуловимых».

Дмитрий Трунин