Прототип ABRACADABRA не помог найти темную материю

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.

Некоторые явления в астрофизике и космологии не поддаются теоретическому описанию с учетом только известных видов материи и взаимодействий. К таким феноменам относятся кривые вращения галактик, динамическая устойчивость их скоплений, гравитационное линзирование на космологических расстояниях, рост возмущений в ранней Вселенной, особенности формы спектра мощности реликтового излучения и некоторые другие. Наиболее распространенным в современной науке разрешением данного затруднения является введение нового компонента вещества — темной материи. Она не взаимодействует посредством электромагнетизма, поэтому не может быть зафиксирована при помощи обычных телескопов, но ее гравитационное влияние позволяет привести теоретические оценки в соответствие с наблюдениями.

На данный момент физики не смогли получить прямых указаний на существование темной материи, несмотря на несколько десятилетий активных поисков. Ситуация затрудняется тем, что астрономические наблюдения не позволяют точно определить свойства частиц темной материи, из-за чего существует огромное разнообразие различных моделей. 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. Последние частицы были предложены около 40 лет назад как потенциальное решение сильной CP-проблемы, которая заключается в том, что сильное взаимодействием не нарушает комбинированную четность, то есть симметрично относительно замен всех зарядов и направлений. Это обстоятельство требует объяснения, так как современная теория сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика — допускает нарушение данной симметрии, однако в экспериментах этого зафиксировано не было. В результате была сформулирована гипотеза Печчеи—Квинн, которая предполагала наличие нового квантового поля, обращающего в нуль ту часть лагранжиана КХД, которая способна приводить к нарушению CP-симметрии. Соответствующий квант поля был назван аксионом.

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. Полноценная установка должна изучить весь диапазон от 10^-12 до 10^-6 электронвольт, но прототип из-за малой величины и недостаточной экранировки от внешних шумов работал в диапазоне от 3,1×10^-10 до 8,3×10⁻⁹ эВ. 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 намного более крупного эксперимента CAST. Авторы планируют развить подход и в ближайшем будущем начать собирать данные с полноценной установкой, которая позволит искать аксионы в большом диапазоне малых масс.

Затруднения с моделью вимпов породили существенный интерес к альтернативным идеям и их экспериментальной проверке. Так легкую темную материю недавно предложили ловить сверхпроводящими нанопроводами. О важности самого понятия о темной материи мы говорили с астрофизиком Андреем Дорошкевичем в материале «Невидимый цемент Вселенной».