Поиск аксионов — это поиск гипотетических элементарных частиц, называемых аксионами, которые являются одними из главных кандидатов на роль тёмной материи. Аксионы — это чрезвычайно лёгкие, слабо взаимодействующие частицы, предсказанные расширениями Стандартной модели для решения сильной CP-проблемы. Их обнаружение затруднительно, поскольку они крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом, но их существование объяснило бы значительную часть недостающей массы Вселенной и открыло бы новое окно в физику элементарных частиц.
История
Аксион был предложен в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн для объяснения того, почему сильное ядерное взаимодействие сохраняет CP-симметрию; сама частица была названа Фрэнком Вильчеком и Стивеном Вайнбергом. Экспериментальные поиски начались в 1980-х годах и продолжаются по сей день.
Как это работает
Аксионы могут превращаться в фотоны в присутствии сильных магнитных полей (эффект Примакова). В экспериментах типа галоскопов используются резонансные полости в сильных магнитных полях для обнаружения микроволновых фотонов, возникающих при конверсии аксионов. Астрофизические наблюдения ищут эффекты, вызванные аксионами, такие как аномальные потери энергии в звёздах или изменения поляризации света от далёких источников. Полярные шапки нейтронных звёзд также предлагаются в качестве естественных преобразователей аксионов в фотоны.
Где применяется
Эксперименты по поиску аксионов, такие как ADMX, направлены на обнаружение тёмной материи; в случае успеха они произвели бы революцию как в космологии, так и в физике элементарных частиц.
Любопытный факт
Аксионы, если они существуют, могли бы также объяснить, почему нейтронные звёзды остывают быстрее, чем ожидалось, поскольку они уносили бы энергию из ядра звезды.
В газовой камере, где обычно регистрируют быстрые электроны, вдруг пошли медленные носители заряда — отрицательные ионы. Они движутся как тяжёлые носильщики, которые не разбегаются по сторонам, а идут ровным строем. Именно такая аккуратность нужна детекторам, которые ищут тёмную материю: чем меньше размытие следа частицы, тем точнее можно восстановить её направление.
В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые могут порождать гипотетические лёгкие частицы — аксионы, почти не взаимодействующие с веществом. Один из таких процессов, если он существует, приводит к появлению аксионов с энергией 5,49 МэВ — это сравнимо с энергией теннисного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч.
Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной. Её существование выводится из гравитационного влияния на движение звёзд и галактик, но состав этого каркаса остаётся загадкой. Одна из гипотез — сверхлёгкие частицы, напоминающие аксионы. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в редких случаях могут проявлять себя.
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой раскалённый «суп» из элементарных частиц. По мере остывания в этом первичном бульоне происходили фазовые переходы — подобно тому, как вода замерзает в лёд при падении температуры.
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стадию стремительного расширения — инфляцию. Даже физический вакуум тогда не был спокоен: квантовые флуктуации раскачивали фундаментальные поля, словно ветер колосья в поле.
В 1929 году Эдвин Хаббл навёл телескоп на далёкие галактики и обнаружил: они разбегаются. Девяносто лет спустя два измерения скорости этого разбегания — по древнему свету и по близким звёздам — упрямо не сходятся. Расхождение в 9% не спишешь на погрешность. Словно Вселенная в детстве и в зрелости живёт по разным часам.
Представьте детские качели.
В галактике NGC 1052 DF2 звёзды движутся со скоростью всего 8 километров в секунду — будто никакой невидимой массы вокруг нет. Для сравнения: в нашем Млечном Пути окраинные светила разгоняются до 200 километров в секунду, удерживаемые массивным гало тёмной материи.
В первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная пережила инфляцию — чудовищно быстрое раздувание, разгладившее все неровности. Но среди этой космической глади могла затеряться одна «неправильная» нота — квантовые колебания поля аксионов.
Глубоко под землёй, в тишине криостата (охлаждаемого контейнера), лежат кристаллы из свинца, который когда-то был частью древнеримского корабля. Этот материал почти не фонит — за две тысячи лет нестабильные изотопы в нём распались, и теперь он идеально чист для охоты на редчайшие события.
Восемь ярких точек на радионебе. Это один и тот же квазар HS 0810+2554, чей свет прошёл сквозь гравитационную линзу — массивную галактику на переднем плане. Но обычное объяснение с гладким распределением тёмной материи в линзе оставляет зазор: предсказанные положения точек расходятся с наблюдениями на несколько миллисекунд дуги.
Гравитационные волны от слияния чёрных дыр звучат как басовые аккорды, пульсары отбивают ритм, а реликтовое излучение доносит отголоски Большого взрыва. Но есть и безмолвный игрок — тёмная материя, чьё присутствие выдают лишь гравитационные эффекты.
Стандартная модель космологии, опирающаяся на уравнения поля, предложенные Эйнштейном, описывает Вселенную как коктейль из тёмной материи (открытой благодаря Вере Рубин) и тёмной энергии в пропорции примерно 1:3.
Большой подземный бак с жидким ксеноном ждёт редкого события — толчка от частицы тёмной материи. Обычно гравитация слишком слаба, чтобы такой толчок заметить. Но если у пространства есть скрытые измерения, всё меняется: на крошечных расстояниях гравитация резко усиливается, и шанс засечь неуловимую частицу растёт.
Вселенная пронизана невидимой массой — тёмной материей, существование которой впервые предположил Фриц Цвикки в 1930-х годах, наблюдая за движением галактик в скоплениях.
Идеально отлаженный оркестр, где каждый инструмент настроен с безупречной точностью, пытается играть в шумном зале. Этот шум — квантовая гравитация, рябь пространства-времени на микроуровне. Она постоянно норовит сбить музыкантов. Аксионы, частицы-кандидаты на роль тёмной материи, и есть та самая музыка.
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».
В кухонном шкафу стоит банка с сахаром. Если её встряхнуть, крупинки распределятся почти равномерно — не нужно выкладывать каждую пинцетом. Примерно так же могли появиться крошечные чёрные дыры в первые мгновения после Большого взрыва. Их масса — как у астероида, размер — меньше атома.
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.
Камешек падает в пруд — и по воде разбегаются круги. Но одна из волн вдруг не расходится, а прилипает к невидимой складке на поверхности и бежит только вдоль неё. Нечто похожее обнаружили физики, когда заново просчитали встречу света с аксионной доменной стенкой — узкой областью, где поле меняет знак, как горный хребет разделяет два склона.
Позднюю Вселенную удобно представить как толпу, расходящуюся после концерта. В стандартной космологической модели ΛCDM люди идут молча, не мешая друг другу. Но что если тысячи зрителей начинают легонько подталкивать соседей?
Нейтронная звезда — это гравитационная линза, в которой сфокусированы наши попытки разглядеть тёмную материю. Сквозь её сверхплотное вещество, словно через экзотическое стекло, мы ищем аксион — неуловимую частицу, способную объяснить скрытую массу Вселенной.
Камень, брошенный в воду, оставляет круги. Спутник, летящий вокруг Земли, тоже оставляет след — только не на воде, а в законах физики. Его орбита не застывшая линия: она медленно поворачивается, как стрелка гигантских часов. Часть этого вращения объяснима привычной гравитацией, но появляется всё больше намёков, что в дело вмешивается кто-то ещё — невидимый и вездесущий.
В тёмной комнате на лазерном луче висит стеклянная бусина размером с пылинку. Под ней — два зеркала: алюминиевое и серебряное. Если где-то рядом проносятся аксионы — лёгкие частицы-невидимки, которые могли бы составить таинственную тёмную материю, — они обмениваются ими с атомами зеркал, и бусина чуть-чуть смещается.
Крошечные невидимые пули прошивают Солнце насквозь, почти не замечая его вещества. Это аксионы — гипотетические частицы, настолько лёгкие и неуловимые, что их сравнивают с призраками.
В ускорителе SuperKEKB сталкивают электроны с позитронами — и среди осколков находят B-мезоны. Эти тяжёлые частицы живут недолго и разваливаются на более лёгкие. Недавно детектор Belle II зафиксировал подозрительно много случаев, когда B-мезон превращается в K-мезон (каон) и что-то невидимое — на 2,7 сигмы больше, чем ожидалось.
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была кипящим котлом. Но затем, согласно новой гипотезе, она на короткое время резко остыла — намного сильнее, чем считалось раньше. В этом ледяном мире частицы тёмной материи, похожие на крошечные маятники, замерли и не начинали свои колебания.
В самом начале, спустя мгновения после Большого взрыва, Вселенная была устроена до смешного симметрично: частиц и античастиц — поровну. Но случился перекос, крошечный, как одна лишняя песчинка на килограмм сахара, и весь привычный нам мир — звёзды, планеты, люди — возник из этого избытка. Как именно природа устроила этот перевес, до сих пор загадка.
Всё началось с крошечного сгустка, который рос быстрее, чем свет успевал его обогнуть. Внутри этого раздувающегося пузыря — нашей будущей Вселенной — царила невообразимая жара. Но одно поле, названное инфлатоном (двигателем раздувания), вело себя как дирижёр: оно управляло и расширением, и тем, как вели себя другие частицы.
В 1987 году астрономы увидели вспышку сверхновой в соседней галактике — Большом Магеллановом Облаке. Это был редкий подарок: взрыв произошёл достаточно близко, чтобы поймать не только свет, но и нейтрино (почти неуловимые частицы, проходящие сквозь Землю насквозь).
Представьте идеально гладкий пруд: малейшее дуновение ветерка порождает рябь на его поверхности. В роли такого пруда выступает плоский кристалл из заряженных атомов — ионов, удерживаемых в электромагнитной ловушке.
Облако Оорта — это сферический рой из триллионов ледяных тел на самой границе Солнечной системы, примерно в световом годе от Солнца. Эти объекты почти неподвижны относительно друг друга, пока какое-то гравитационное возмущение не нарушит их покой.
В далёкой галактике, на расстоянии, которое свет преодолевает за 11 миллиардов лет, что-то вспыхнуло. Рентгеновский телескоп Einstein Probe заметил короткий, как укол иглы, всплеск — он длился всего несколько десятков секунд. Но самое интересное началось потом: через несколько дней в обычном, видимом свете объект снова плавно засиял ярче.
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не пустой и тихой, а наполненной горячей плазмой, частицами и магнитными полями. Среди частиц, возможно, были аксионы — лёгкие и почти неуловимые кандидаты на роль тёмной материи.
На кухне два луча фонариков проходят сквозь друг друга, не замечая один другого. Свет со светом почти не взаимодействует. Но если разогнать частицы до огромных энергий, два фотона могут столкнуться и родить нечто новое.
Крошечный сверхпроводник, парящий над магнитом благодаря эффекту Мейснера, — это пробка на поверхности невидимого океана. Малейшее дуновение тёмной материи — гипотетической формы материи, не испускающей электромагнитного излучения — заставляет его вздрагивать. Учёные рассмотрели два вида такого «ветра».
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.
В тёмной шахте под итальянскими Альпами стоит бак с тремя тоннами жидкого ксенона. Когда в него попадает частица, она выбивает из атомов слабые вспышки света и облачка электронов. По этим следам физики надеются увидеть редчайший распад: ядро ксенона-136 превращается в барий-136, испуская два электрона и ни одного нейтрино.
В глубоком холоде, при температуре всего два градуса выше абсолютного нуля, медная полость размером с кастрюлю слушает тишину Вселенной. Эта полость — сердце прототипа детектора Supax, созданного для поиска аксионов: частиц, которые никто никогда не видел, но которые могут составлять невидимую тёмную материю, удерживающую галактики вместе.
Кубит — вычислительная ячейка квантового компьютера — живёт доли миллисекунды, а потом забывает своё состояние. Одна из причин — крошечный контакт внутри него: два слоя алюминия, между которыми зажат слой оксида алюминия толщиной в пару нанометров.
В столкновениях тяжёлых ядер рождается огненный шар из тысяч частиц. Среди них — пионы и каоны, два вида лёгких частиц, которые очень похожи друг на друга. Чтобы понять, что происходит в этом огненном шаре, физикам нужно точно знать, сколько каких частиц вылетело.
