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.