Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Глобальная сеть магнитометров GNOME не обнаружила аксионной темной материи

slidetodoc.com

Физики из коллаборации GNOME не обнаружили частиц аксионной темной материи, проанализировав данные, собранные за время второго сезона работы глобальной сети магнитометров. Результаты анализа, однако, позволили исследователям установить ограничения на массу частиц аксионной темной материи и константу ее взаимодействия с обычным веществом. Ученые рассчитывают, что проходящая сейчас модификация сети детекторов поможет существенно увеличить точность эксперимента. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Гипотеза о том, что около 80 процентов массы всего вещества во Вселенной приходится на невидимую темную материю, объясняет многие астрономические наблюдения: как аномально большие скорости движения звезд на перифериях галактик и галактик на перифериях галактических скоплений, так и точную форму спектра неоднородностей температуры космического микроволнового фона. Несмотря на убедительные свидетельства в пользу существования темной материи, ни в одном наземном эксперименте не удалось зарегистрировать частицы, из которых она состоит.

Существуют различные модели темной материи, но обычно считается, что она состоит из вимпов (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) — частиц, массой от нескольких гигаэлектронвольт до планковской массы, равной примерно 1019 гигаэлектронвольт, или даже больше, которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях с частицами Стандартной модели. Существуют, однако, модели темной материи и со сверхлегкими частицами, такими как стерильное нейтрино, дилатон и аксион.

Изначально в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Квинн предложили ввести аксион для решения проблемы сильного CP-нарушения, которая заключается в том, что коэффициент при CP-нарушающем слагаемом в лагранжиане квантовой хромодинамики, описывающей сильные взаимодействия, почему-то равен нулю или, по крайней мере, необъяснимо мал. В предложенной физиками-теоретиками теории введение аксиона сопровождалось введением симметрии, спонтанно нарушающейся конденсацией аксиона на некотором масштабе энергий fSB, что естественным образом приводит к занулению коэффициента при слагаемом, нарушающем CP-инвариантность. В настоящее же время сверхлегкий аксион с массой, равной примерно 10-15–10-10 электронвольт считается одним из вероятных кандидатов на роль частиц темной материи. Во всех рассматриваемых моделях аксионной темной материи потенциал, за счет которого происходит конденсация аксионного поля, имеет много минимумов, и темная материя во Вселенной может собираться в области, называемые доменами, в которых вакуумные значения этого поля разные. Домены разделены доменными стенками, в которых аксионное поле меняется от одного вакуумного значения до другого.

Обнаружить прохождение таких доменных стенок через Землю ученые расчитывают с помощью эксперимента GNOME (Global Network of Optical Magnetometers for Exotic), анализируя данные сети магнитометров, расположенных в разных точках земного шара. К настоящему моменту сеть детекторов полностью завершила четыре сезона работы, которые длились с 2017 по 2020 годы, и участники коллаборации представили результаты анализа данных, набранных за время второго сезона, длившегося с 22 ноября по 22 декабря 2017 года. Этот анализ не обнаружил следов аксионной темной материи, установив, тем не менее, ограничения на массу ее частиц и константу взаимодействия с обычной материей. Во время второго сезоны работы эксперимента GNOME сеть состояла из девяти детекторов, из которых один находился в Германии, два в Китае, один в Польше, три в США, один в Швейцарии и один в Южной Корее.

В качестве детекторов темной материи физики использовали магнитометры по следующей причине. Вид взаимодействия гипотетических аксионов с электромагнитным полем такой, что переменное в пространстве аксионное поле проявляет себя для частиц и токов как ненулевое магнитное поле. Внутри доменной стенки должен существовать градиент поля аксионной темной материи, из-за чего эффект от ее прохождения через Землю похож на отклик частиц на импульс магнитного поля. Разница между градиентом аксионного поля и магнитным полем все же есть — интенсивность взаимодействия магнитного поля со спином частицы пропорциональна гиромагнитному отношению для этой частицы, которое обратно пропорционально ее массе, тогда как хотя константа взаимодействия fint градиента поля темной материи и может отличаться для разных частиц, обратной ее зависимости от их массы не ожидается.

Рабочее тело каждого магнитометра представляет собой пары щелочных металлов, атомы которых оптически поляризованы. Ученые использовали многослойное магнитное экранирование, которое снижало магнитные шумы на 6–7 порядков. Прохождение доменной стенки через Землю должно влиять на ларморовскую прецессию поляризованных атомов, и если такая стенка действительно проходит, все детекторы должны зарегистрировать скоррелированный сигнал. Если гипотетические аксионы взаимодействуют только со спинами электронов, то взаимодействие темной материи с магнитными экранами очень сильно сократит амплитуду сигнала в детекторе, и поэтому ученые рассматривали только теории, в которых аксионы в основном взаимодействуют с атомными ядрами.

Проанализировав собранные сетью детекторов данные, физики не обнаружили сигнала темной материи. Анализ, однако, позволил установить ограничения на параметры теории — ученые исследовали значения константы связи fint вплоть до 4 × 105 гигаэлектронвольт, тогда как предыдущие лабораторные эксперименты смогли установить ограничение только fint ≥ 300 гигаэлектронвольт.

Участники коллаборации GNOME надеются в будущем существенно увеличить точность эксперимента. Это планируется сделать за счет модификации магнитометров, повышения их надежности и увеличения продолжительности одновременной работы всех детекторов. Кроме того, физики планируют провести более тщательный теоретический анализ процесса взаимодействия доменной стенкой с Землей — например, исследователи считают, что Земля может оказывать существенное влияние на динамику доменной стенки, которое было проигнорировано в данном исследовании.

Ранее мы писали о попытке обнаружить аксионную темную материю, наблюдая за нейтронными звездами, и о предложении искать ее следы в гравитацонных волнах от сливающихся черных дыр.

Андрей Фельдман

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.