Представьте радиоприёмник, у которого одна ручка настройки двигает сразу все внутренние катушки, как единый организм. Именно так устроен новый инструмент для поиска аксиона — частицы, которая, возможно, заполняет галактики невидимой массой. В медном цилиндре высотой с банку из-под кофе спрятаны стержни из оксида алюминия. Поворот вала заставляет их синхронно сходиться или расходиться, меняя частоту, на которую настроен резонатор. Эта механика вдохновлена киригами — искусством вырезания и складывания бумаги, где один надрез заставляет всю конструкцию двигаться согласованно.
Обычный резонатор ищет аксион на основной моде: частота растёт, если уменьшать размер полости. Но тогда падает объём, а вместе с ним и вероятность поймать частицу. Высшие моды решают эту проблему: частота растёт без потери объёма, однако электрическое поле внутри начинает гасить само себя, и сигнал слабеет.
Здесь на помощь приходят диэлектрические стержни: они перераспределяют поле так, что оно снова эффективно взаимодействует с магнитным полем. Форм-фактор, то есть мера этого совпадения, поднимается с почти нуля до 0.55 от идеала.
Но высшие моды капризны: при перестройке частоты симметрия поля легко разрушается, и сигнал пропадает. Ауксетический механизм решает и эту проблему. Ауксетики — материалы, которые при растяжении становятся толще, а не тоньше. Здесь это свойство используют наоборот: поворот центрального вала заставляет стержни расходиться строго радиально, сохраняя форму поля. В результате резонатор можно плавно перестраивать, как радиоприёмник, не теряя чувствительности.
Установку охладили до 40 милликельвинов — это холоднее межзвёздного пространства — и поместили в магнитное поле 9.8 тесла, в сотни тысяч раз сильнее земного. Сигнал усиливался квантовым усилителем на джозефсоновском переходе, который добавляет минимум шума.
Два новых скана покрыли диапазон 4.98–5.07 гигагерц, что соответствует массе аксиона 20.61–20.95 микроэлектронвольт. Вместе с предыдущими измерениями получилось непрерывное покрытие почти 300 мегагерц — впервые для одного резонатора на высшей моде.
Чувствительность достигла 1.8 от ориентира KSVZ — теоретической модели, предсказывающей силу связи аксиона с фотоном. Это значит, что исключены связи примерно в два раза сильнее предсказания. Ни одного кандидата не осталось после повторного сканирования, поэтому установлены верхние пределы с достоверностью 90%. Работа не поймала аксион, но показала, что высшие моды больше не тупик: они стали практичным инструментом.
Теперь этот резонатор-хамелеон готов к новым охотам. Принцип можно перенести на ещё более высокие моды, где частота растёт в 3.6 раза, а диэлектрики способны восстановить сигнал до 0.45 от идеала. Возможно, именно так удастся наконец услышать шёпот тёмной материи в шуме космоса.
Ауксетические материалы при растяжении становятся толще, а не тоньше, как обычные. В механизме настройки это свойство используют наоборот: поворот вала заставляет стержни синхронно расходиться или сходиться, меняя частоту резонатора, как настройку радиоприёмника.
В романе Лю Цысиня «Задача трёх тел» тёмная материя остаётся загадкой, которую человечество пытается разгадать с помощью гигантских ускорителей. Аксионные галоскопы, подобные описанному здесь, предлагают более тихий путь: слушать космос в микроволновом диапазоне, надеясь уловить шёпот невидимого поля.