Аксионы предложили поискать экспериментом с лазерными пучками
Физики разработали новый метод поиска гипотетических частиц темной материи в лаборатории. Они предлагают получать аксионы в столкновении двух интенсивных лазерных пучков — чувствительность такого опыта сравнима с астрофизическими экспериментами, в то время как его результаты в меньшей степени зависят от используемой модели. Статья опубликована в журнале Physical Review D.
Темной материей называют гипотетическую разновидность вещества, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии. Сегодня на существование этой компоненты указывает целый ряд астрофизических свидетельств, а модели с ее участием успешно описывают и прогнозируют наблюдаемые явления (узнать об этом подробнее можно в материале «Невидимый цемент Вселенной»). Тем не менее, ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя — ни одну из гипотетических частиц, существование которых предсказывает теория, зарегистрировать на детекторах пока не удалось. Эксперименты в этой области имеют сегодня большую значимость — несмотря на результаты, они позволяют получить ограничения на неизвестные характеристики частиц темной материи, скорректировать теорию и сузить область последующих поисков.
Британские физики под руководством Константина Бейера (Konstantin A. Beyer) из Оксфордского университета предложили свой подход для поиска аксионов — так называется вид гипотетических частиц, который вводится в одной из наиболее известных теоретических моделей для решения проблемы в квантовой хромодинамике. Исследователи рассмотрели возникновение аксионов при столкновении двух лазерных пучков (которые состоят из фотонов) высокой интенсивности. Рождающиеся таким образом частицы в предлагаемом сценарии проходят через препятствие (стенку) и под действием магнитного поля снова превращаются в фотоны, которые попадают в детектор. Поскольку на пути лучей лазеров находится препятствие, обнаружение фотона по другую сторону стенки в отсутствие шума означает регистрацию аксиона. На практике же схема опыта позволяет проверять надежность таких событий: для этого достаточно испускать излучение короткими импульсами и синхронизировать их с работой детектора.
Авторы установили, что по качеству предложенный эксперимент может соревноваться с другими опытами по поиску темной материи. В частности, при достаточно долгой выдержке (примерно одни сутки на один угловой шаг) его чувствительность сопоставима с солнечным телескопом лаборатории CERN и достигает характеристик аксионов, которые предсказывает квантовая хромодинамика. Вместе с тем опыт опирается на меньшее количество теоретических допущений — это делает методику более надежной в сравнении с альтернативными подходами.
Авторы также отмечают, что качество эксперимента можно повысить благодаря развивающимся технологиям по созданию лазерных установок: с ростом количества фотонов в пучке одновременно увеличивается вероятность рождения аксионов. Кроме того, для усиления наблюдаемых эффектов можно использовать неоднородное магнитное поле и регулировать показатель преломления среды, в которой происходит превращение гипотетической частицы в регистрируемую. Последние факторы не учитывались в исследовании, поэтому вычисленные оценки чувствительности являются лишь нижними ограничениями — на практике, по мнению ученых, результаты могут оказаться значительно лучше.
Новые методы для обнаружения гипотетических частиц предлагались и в других недавних работах. Так, в прошлом году физики ограничили массу темной материи при помощи фотографии черной дыры, а в нынешнем — предложили использовать для новых поисков уже построенные детекторы.
Николай Мартыненко
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.