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.

Резонансная полость детектора ADMX с двумя вставленными стержнями. ADMX Collaboration

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 вводится некая новая симметрия, при спонтанном нарушении которой возникают 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. Впрочем, 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.

Смоделированные измерения спектра колебаний полости в предположении массы аксиона около 2,68 микроэлектронвольт. ADMX Collaboration / Phys. Rev. Lett.

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.

Ограничения на параметр аксион-фотонной связи в диапазоне масс 2,66 – 2,81 микроэлектронвольт. Пунктирными линиями отмечены предсказания теорий KSVZ и DFSZ. Во внутреннем врезе приведены результаты новых измерений (темно-синий) в сравнении с доступной для ADMX областью (светло-синий) и предыдущими экспериментами (другие цвета). ADMX Collaboration / Phys. Rev. Lett.

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».

Автор: Дмитрий Трунин