Бомбардировка дейтерия протонами уточнила барионную плотность Вселенной
Физики облучили мишень из газообразного дейтерия пучком протонов и измерили сечение реакций с образованием изотопа гелия — одного из основных процессов разрушения дейтерия в ходе первичного нуклеосинтеза — и с его помощью оценили барионную плотность Вселенной. Данные эксперимента позволили по сравнению с предыдущими работами примерно вдвое уменьшить погрешность этой оценки, а сам результат в пределах ошибки совпал со значением, которое следует из наблюдений реликтового излучения. Статья опубликована в журнале Nature.
Согласно современным представлениям, в первые минуты своей эволюции Вселенная прошла через стадию первичного нуклеосинтеза — процесса рождения атомных ядер (в основном легких, от водорода до бора) из сталкивающихся элементарных частиц. Стандартная космологическая модель позволяет вычислять пропорции между количеством различных продуктов этого процесса на основе барионной плотности — параметра, который отражает долю обычной (не темной) материи во Вселенной, а также данных о том, в каких реакциях и с какой скоростью изотопы рождаются и разрушаются.
С другой стороны, те же пропорции измеряют в астрономических наблюдениях, например, регистрируя спектры квазаров с большим красным смещением: их излучение может пересекать на своем пути облака первичного газа, состоящие практически только из элементов первичного нуклеосинтеза. Благодаря этому (при условии, что известны также и данные о синтезе и распаде ядер в ходе первичного нуклеосинтеза) можно оценивать барионную плотность, подбирая ее таким образом, чтобы пропорции, которые прогнозирует теоретическая модель, совпадали с результатами наблюдений.
Физики из Венгрии, Германии и Италии под руководством Сандры Заватарелли (Sandra Zavatarelli) из Национального института ядерной физики сосредоточили внимание на ядре дейтерия, в состав которого входит один протон и один нейтрон — в соответствии с теоретической моделью, среди прочих легких элементов его количество (относительно водорода) наиболее чувствительно к изменениям барионной плотности, в то время как астрономические наблюдения позволяют оценить это количество с точностью до процента.
Тем не менее, предыдущие оценки барионной плотности на основе этого элемента содержали большую неопределенность (разброс порядка десяти процентов), которая в основном была вызвана погрешностью измерения сечения (величины, которая определяет скорость процесса) одной из реакций разрушения ядра дейтерия — столкновения его с протоном и образования ядра гелия при энергиях в десятки и сотни килоэлектронвольт (соответствует характерной энергии теплового движения частиц в ходе первичного нуклеосинтеза).
Чтобы устранить эту неопределенность, исследователи провели эксперимент по определению сечения этой реакции в подземной части Национальной лаборатории Гран-Сассо. Ученые изготовили газовую мишень из дейтерия (с чистотой, то есть содержанием самого элемента, на уровне 99,999 процентов) при давлении 0,3 миллибар и бомбардировали его интенсивным пучком протонов, ускоренных до энергии 50–395 килоэлектронвольт. На выходе из мишени физики разместили ионизационный калориметр, который измерял интенсивность пучка сразу после взаимодействия с газообразным дейтерием, вокруг мишени же был установлен германиевый детектор, регистрировавший рождающиеся гамма-кванты. На основе этих измерений авторы вычисляли сечение реакции, а с его помощью — строили оценку барионной плотности Вселенной.
В результате, благодаря удачному расположению установки (под землей снижено загрязнение данных со стороны космических лучей), высокой чистоте мишени и выбору диапазона энергий (характерных для первичного нуклеосинтеза), исследователям удалось почти вдвое повысить точность (с 2,7 до 1,6 процента) определения барионной плотности по сравнению с предыдущими значениями, которые основывались на том же методе без привлечения данных нового эксперимента. Кроме того, авторы отмечают, что новая оценка лучше соотносится с оценкой на основе данных о реликтовом излучении (и совпадает с ней в пределах погрешности) — отличие удалось снизить примерно на порядок: с 1,5 до 0,13 процента. Это, в силу независимости методов, выступает дополнительным доводом в пользу применимости стандартной космологической модели.
Ранее мы рассказывали о том, как в рамках другого эксперимента на базе лаборатории Гран-Сассо удалось подтвердить регистрацию нейтрино CNO-цикла и как астрофизики обнаружили в космическом пространстве старейшую молекулу во Вселенной.
Николай Мартыненко
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.