поиск аксионной тёмной материи

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.

В подвале лаборатории гудит магнит на 8 тесла. Внутри него, как колокол в колокольне, висит полый медный цилиндр, настроенный на одну-единственную ноту. Если где-то рядом пролетит аксион, частица тёмной материи, цилиндр отзовётся слабым звоном. Беда в том, что обычная медь глушит этот звон: при высоких частотах ток течёт лишь по тонкой коже металла, и потери растут.

Ночной лес полон светлячков, но раньше мы видели только тех, кто случайно оказался в луче фонарика. Так было с ультраяркими рентгеновскими источниками — точками в других галактиках, светящими в рентгене ярче, чем может стабильно излучать чёрная дыра звёздной массы. Телескопы смотрели на галактики, выбранные для других целей, и пропускали большую часть светлячков.

264 километра в секунду — с такой скоростью Солнечная система проносится сквозь облако тёмной материи. Его существование выдали галактики: они вращались слишком быстро, чтобы их удерживала видимая масса, и Вера Рубин первой заподозрила скрытый каркас.

Маяк в открытом море не только вращается — его лампа сама по себе то тускнеет, то разгорается. Примерно так ведут себя магнитные белые карлики, сверхплотные остатки звёзд вроде нашего Солнца. Их мощные магнитные поля способны превращать свет в аксионы — гипотетические частицы, которые могли бы объяснить скрытую массу Вселенной.

Полвека назад Фриц Цвикки заметил, что видимой материи в скоплениях галактик катастрофически не хватает для объяснения гравитации. Сегодня мы знаем, что значительная часть обычного вещества — те самые барионы — прячется в разреженной плазме между звёздами и галактиками, в гигантской паутине из водорода и гелия.

В кромешной тьме вакуумной камеры парит крошечный магнит. Он не касается стенок и почти не теряет энергию — идеальный страж, готовый уловить слабейший толчок. Именно такой страж нужен для охоты на аксионы. Эти частицы — главные подозреваемые в деле о скрытой массе Вселенной, которую мы называем тёмной материей.

Вселенная пронизана невидимой массой — тёмной материей, существование которой впервые предположил Фриц Цвикки в 1930-х годах, наблюдая за движением галактик в скоплениях.

Детский мобиль: фигурки висят на нитях и откликаются на любое дуновение. Подобно им, планеты на очень широких орбитах едва удерживаются тяготением звезды — и чувствуют малейшие гравитационные «сквозняки».

Море, пронизывающее всё пространство, остаётся невидимым для нас. Это море — тёмная материя, а волны на его поверхности — частицы под названием аксионы. Они настолько лёгкие и неуловимые, что проходят сквозь Землю, не замечая её. Но если эти волны ударяются о берег из особого материала, они могут оставить след — крошечный электрический ток.

Переводчик работает в шумном зале. Гул голосов, звон посуды, обрывки чужих разговоров — кажется, он должен постоянно ошибаться. Но к концу дня его записи идеально совпадают с теми, что он сделал бы в тишине кабинета. Примерно так ведёт себя квантовое правило, которое физики называют аксиальной аномалией.

История началась с недоумения: в 1930-х Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик ведут себя так, будто в них спрятана огромная невидимая масса. Через полвека Вера Рубин подтвердила — звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро, чтобы их удерживала лишь видимая материя.

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь через гравитационное воздействие: она искривляет свет далёких галактик, подобно незримому окну, меняющему ход лучей.

История началась почти век назад, когда Эдвин Хаббл показал, что галактики разбегаются, а Фриц Цвикки и Вера Рубин позже поняли: для объяснения их движений необходима невидимая масса — тёмная материя.

Маяк вращается в густом тумане. Его луч пробивает мглу, но сам туман остаётся невидимым. Примерно так астрономы ищут тёмную материю: она не излучает свет, однако способна влиять на сигналы, которые до нас доходят.

Когда свет проходит вблизи чёрной дыры, он попадает в мощную гравитационную ловушку: траектория фотонов искривляется так сильно, что частицы начинают метаться по почти замкнутым орбитам, словно шарики в пинбольном автомате.

Вселенная полна невидимого вещества, которое управляет движением галактик. В 1970-х астроном Вера Рубин показала: без тёмной материи звёзды на окраинах давно разлетелись бы. Но из чего она состоит, неизвестно.

Тёмная материя невидима, но её гравитация управляет движением галактик. Из чего она состоит — загадка. Одна из идей: это сверхлёгкие частицы, похожие на аксионы.

В шумном городе пытаются услышать сверчка. Он тихий, а вокруг гудят машины. Чтобы поймать его стрекот, ставят чуткий микрофон и давят на кнопку шумоподавления. Примерно так же физики охотятся за аксионами — гипотетическими частицами, которые могут быть той самой тёмной материей, что скрепляет галактики.

Крошечное кольцо из сверхпроводника, охлаждённое почти до абсолютного нуля, может почувствовать прикосновение частицы, которая в миллиарды раз легче электрона. Речь об аксионе — гипотетической частице, которая, возможно, составляет тёмную материю, заполняющую Вселенную.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются почти со скоростью света. Иногда они не разбиваются, а обмениваются фотонами — частицами света. Эти фотоны могут породить пару: одну частицу, которую детектор видит, и другую, которая улетает незамеченной.

Каон — частица-долгожитель по меркам микромира: живёт миллиардные доли секунды, прежде чем развалиться на более лёгкие частицы. В эксперименте KOTO в Японии ловят самые редкие варианты такого распада. Один из них — когда каон превращается в два нейтральных пиона и ещё одну частицу X, которая тут же распадается на два фотона (частицы света).

Чёрные дыры — не безмолвные провалы в ткани мироздания, а природные камертоны, чьё стремительное вращение, предсказанное Роджером Пенроузом в рамках механизма Пенроуза, заставляет вибрировать само пространство-время.

В глубине канадской шахты стоит бочка с 3269 килограммами жидкого аргона — прозрачной жидкости, похожей на очень холодную воду. Эта бочка — детектор DEAP-3600, и её задача — поймать частицы тёмной материи, которые, как считается, пронизывают Вселенную, но почти не взаимодействуют с обычным веществом.

В швейцарских Альпах есть глубокая вертикальная шахта, которая уходит на 800 метров вниз — как два небоскрёба, поставленных друг на друга. Рядом проходит железнодорожный туннель, и поезда там грохочут каждый день. Но внутри шахты тихо, как в библиотеке ночью. Учёные привезли туда чувствительные датчики и целый месяц слушали, как дрожит земля и что творится с электрическими полями.

Вселенную удерживает невидимый каркас из тёмной материи — загадочной субстанции, проявляющей себя только через гравитацию. Возможно, её часть — тёмные фотоны, гипотетические призрачные копии обычных фотонов, которые почти не взаимодействуют с веществом и проходят сквозь него, словно свет сквозь стекло.

В глубине итальянских Апеннин, под толщей горной породы, стоит кристалл, который ловит каждый распад радиоактивного америция. Америций испускает гамма-лучи с энергией 59,5 килоэлектронвольт — как очень резкий звонок, который звучит всегда одинаково.

В детекторе тёмной материи газ играет роль фотоплёнки: пролетающая частица оставляет след из свободных электронов и ионов. Но насколько ярким будет этот след, зависит от того, как именно частица растрачивает энергию в газе. Для лёгких ионов, таких как фтор, данные до сих пор были неточными.

Свет от звезды HD 163296 проходит сквозь окружающий её газопылевой диск, как луч фонарика сквозь мутную воду. Частицы диска рассеивают свет, и он приобретает особое свойство — поляризацию: волны начинают колебаться в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхивают строго вверх-вниз.

В тёмной комнате детектора аргон ждёт. Когда сквозь него пролетает невидимая частица — например, кандидат в тёмную материю, — она слегка толкает ядро аргона. Ядро срывается с места, а вокруг него рождаются заряды. Сколько именно зарядов — вопрос не праздный: по их числу физики судят, что за гость приходил.

В сердце Альп, на глубине около ста метров, расположен Большой адронный коллайдер (LHC) — крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц. Время от времени его детекторы фиксируют внезапные, необъяснимые всплески сигналов, которые исследователи окрестили UFO (Unidentified Falling Objects — неопознанные падающие объекты).

Пуля, которая пробивает не одну мишень, а оставляет след сразу в нескольких слоях брони. Примерно так ведёт себя сверхтяжёлая тёмная материя, которую впервые искали в детекторе DarkSide-50. Обычные кандидаты в тёмную материю — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — проходят сквозь вещество почти незаметно, изредка сталкиваясь с ядрами.

Металлический резонатор, охлаждённый почти до абсолютного нуля, вслушивается в радиошум Вселенной. Среди хаоса тепловых колебаний и электроники мог бы проявиться слабый пик — след аксиона, частицы, которая, возможно, составляет тёмную материю.

Кастрюля на плите звенит, когда вода в ней закипает. Пустая медная чашка тоже может «звенеть» — на частоте радиоволн, если внутри неё рождается частица тёмной материи. Такие частицы называют аксионами, и они, по одной из гипотез, заполняют всю галактику невидимым облаком.

Тёмная материя — невидимый гравитационный каркас, удерживающий галактики от центробежного распада. Ещё в 1930-х Фриц Цвикки, анализируя движение галактик в скоплении Волос Вероники, обнаружил аномально высокие скорости, требующие дополнительной массы.

Рентгеновский лазер LCLS-II в Калифорнии бьёт короткими мощными вспышками — как стробоскоп на дискотеке. Между вспышками остаются тёмные паузы длиной в 26,9 наносекунды (миллиардных доли секунды). Именно в этих паузах физики хотят ловить тёмную материю — загадочное вещество, которое не светится, но притягивает обычную материю своей гравитацией.

В детекторе BESIII частицы разыгрывают спектакль: сталкиваются, рождаются и распадаются, оставляя вспышки света. Но иногда актёр может уйти со сцены незаметно — через потайную дверь, которую не видят камеры. Физики искали именно такие «тихие» распады, когда частица превращается в нечто невидимое для приборов.

Тёмная материя — загадочная субстанция, которая в пять раз массивнее обычного вещества, но не испускает и не поглощает электромагнитное излучение. Её природа остаётся одной из главных нерешённых задач физики.

Тёмная материя — невидимое вещество, которое держит галактики вместе, но не испускает свет. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумном зале. Обычные детекторы слышат только громкие удары, а слабые сигналы тонут в помехах. В жидком аргоне частица тёмной материи, столкнувшись с ядром атома, выбивает искру света и облако зарядов. Но при слабом толчке искра едва тлеет.

Магнит на холодильнике держится за счёт крошечных внутренних стрелок — каждая из них как миниатюрный компас. Если ударить по металлу сверхкороткой вспышкой света, эти стрелки начинают хаотично метаться, и магнетизм тает за миллионные доли миллиардной секунды. Раньше такое «таяние» было слишком быстрым, чтобы его разглядеть.