Тёмная материя перестаёт быть призраком: аксион выходит на роль ключевой частицы

В современной физике существуют две загадки, которые долгое время казались совершенно независимыми друг от друга. Одна связана с нарушением симметрии в сильных взаимодействиях, другая — с тем, что большая часть материи во Вселенной остаётся невидимой.

Однако между этими проблемами может существовать общее объяснение. Речь идёт об аксионе — гипотетической частице, способной соединить две фундаментальные тайны. Об этом сообщает ab-news.

Свойства аксионов и первые теоретические предпосылки

Аксионы впервые появились в теоретических моделях, созданных для решения проблемы CP-инвариантности сильного взаимодействия. Позднее стало ясно, что их характеристики удивительным образом совпадают с требованиями к частицам тёмной материи.

Теория предполагает, что аксионы чрезвычайно лёгкие и взаимодействуют с обычным веществом настолько слабо, что их ещё не удалось обнаружить.

Ключевым свойством является способность аксиона превращаться в фотон в присутствии сильного магнитного поля. Эта особенность лежит в основе экспериментальных установок, предназначенных для поиска частиц, которые, возможно, присутствуют в галактическом гало.

Именно на этом принципе построены аксионные галлоскопы, позволяющие регистрировать сверхслабые сигналы.

Эксперименты коллаборации QUAX

Итальянская группа QUAX исследует область высоких частот, где предполагаемая масса аксионов превышает 40 микроэлектронвольт. Этот диапазон привлёк внимание учёных благодаря обновлённым теоретическим моделям.

В центре эксперимента находится медный микроволновый резонатор, погружённый в интенсивное магнитное поле, которое создаёт условия для преобразования аксионов в фотоны.

Работа установки заключается в том, чтобы фиксировать едва заметное повышение мощности на определённой частоте. Для этого используются квантово-ограниченные усилители и специально спроектированные антенны.

Поскольку точная масса аксиона неизвестна, исследователи постепенно меняют объём резонатора, "сканируя" частоты и анализируя шум, чтобы выявить статистически значимый сигнал.

Новые результаты и технологический прогресс

Последняя серия экспериментов не принесла прямого подтверждения существования аксионов, но стала важным этапом в развитии метода. Коллаборации удалось продемонстрировать высокую чувствительность частично автоматизированной системы, что особенно ценно в высокочастотном диапазоне, где технические ограничения долгое время считались непреодолимыми.

Этот успех открывает путь к созданию полностью автономного галлоскопа, который сможет проводить длительные наблюдения на частотах выше 10 ГГц. Даже отрицательные результаты имеют большое значение: они исключают часть гипотетических моделей и помогают уточнять параметры, в которых аксион может существовать.

Значение поиска аксионов для физики

Открытие аксиона стало бы событием исключительного масштаба. Оно одновременно решило бы проблему симметрии в сильных взаимодействиях и предоставило первое прямое экспериментальное свидетельство природы тёмной материи.

В случае подтверждения существования этой частицы физики получили бы ключ к пониманию фундаментальных свойств Вселенной.

Работа QUAX показывает, насколько важен методичный подход в поиске новых частиц. Постепенное повышение чувствительности установок и расширение диапазона исследований формируют основу для будущих открытий. Эти результаты приближают науку к ответу на один из главных вопросов современной космологии.