детектор аксионов

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.

Представьте бильярдный шар, висящий в воздухе. По нему из духовой трубки вылетают крошечные горошины. Каждый удар едва заметен, но если шар очень лёгкий и почти не дрожит от тепла, можно разглядеть отдельные толчки. Примерно так устроен эксперимент: стеклянная сфера размером с бактерию парит в вакууме, а на неё летит узкий пучок атомов ксенона.

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.

Детекторы гравитационных волн — это, по сути, сверхчувствительные «уши» Вселенной: они улавливают дрожь пространства-времени, возникающую при столкновении чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но даже самые совершенные «уши» слышат далеко не всё.

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.

В тесной двойной системе горячая звезда, словно прожектор, освещает своего более холодного спутника. Часть света рассеивается на свободных электронах в его атмосфере — это томсоновское рассеяние — и приобретает линейную поляризацию. По мере того как звёзды движутся по орбите, эта поляризация разворачивается, подобно стрелке причудливого космического метронома.

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.

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.

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.

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.

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.

Тёмная материя — невидимая субстанция, чья гравитация удерживает галактики от разлёта, — до сих пор ускользает от прямого наблюдения. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из аксионов — гипотетических очень лёгких частиц, предсказанных теорией.

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).

Когда вещество разогревают до миллионов градусов, оно превращается в плазму — смесь свободных электронов и ионов, похожую на кипящий суп из заряженных частиц. Заглянуть в такой «суп» обычным термометром нельзя, но можно просветить его рентгеновскими лучами.

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.

В идеальный сейф спрятали крошечную монетку, но его стенки так тонки, что монетка иногда проходит сквозь них, оставляя едва уловимый звук. Аксионы — это и есть такие монетки, только вместо металла — частицы, а вместо сейфа — обычное вещество. Они почти не замечают преград, и поймать их напрямую чрезвычайно трудно.

Магнитное поле Земли, которое поворачивает стрелку компаса, — сильное. Новый датчик ловит поля в сто тысяч раз слабее, и для этого ему не нужны ни жидкий гелий, ни громоздкие установки. Всё умещается на печатной плате — такой же, как внутри смартфона. Секрет — в паре из медного резонатора и кристалла железо-иттриевого граната.

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.

Спектр гамма-излучения похож на частокол: каждая линия — это точная энергия, которую ядро отдало фотоном. Но иногда в этом частоколе появляются «призраки» — слабые линии, сдвинутые на одну и ту же величину от основных. Такой сдвиг может означать, что часть энергии ушла на рождение лёгкой частицы, которую мы пока не умеем видеть напрямую.

Тёмная материя — невидимая масса, гравитационно удерживающая галактики от разлёта. Её природа остаётся неизвестной, но один из наиболее вероятных кандидатов — аксион, сверхлёгкая частица, почти не взаимодействующая с обычным веществом. Чтобы зарегистрировать её, физики создали гибридную ловушку, сочетающую квантовую оптику и сверхпроводящую электронику.

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».

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.

Детектор тёмной материи похож на очень чувствительный микрофон, который слушает тишину. Он ловит крошечные толчки тепла — фононы, — которые возникают, когда частица задевает кристалл. Но вместо тишины приборы годами слышат шум: множество слабых сигналов ниже нескольких сотен электронвольт.

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.

Нейтронная звезда размером с город делает тридцать оборотов в секунду. Её магнитное поле в триллионы раз сильнее земного. Такие условия способны породить вокруг звезды облако из аксионов — лёгких частиц, которые пока не поймал ни один детектор, но которые хорошо объясняют скрытую массу Вселенной.

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.

Представьте детектор тёмной материи как комнату, где исследователи пытаются расслышать едва уловимый шёпот, но всё вокруг заполнено треском статического электричества. Этот треск создают атомы радона — радиоактивного газа, который непрерывно просачивается из конструкционных материалов и воздуха.

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 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.

Рентгеновский фотон влетает в датчик, как камешек в спокойную воду. Вода — это тонкая плёнка из алюминия и марганца, охлаждённая почти до абсолютного нуля. От удара по плёнке расходится волна тепла, и по её высоте можно понять, сколько энергии принёс фотон.

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.

Тёмная материя невидима, но её можно поймать на отскоке. Водород, встроенный в углеродную плёнку, работает как бильярдный шар: когда в него попадает частица тёмной материи, протон вылетает наружу. Этот вылет и есть искомый сигнал. Авторы идеи предлагают покрыть детектор гидрированным углеродом — материалом, который уже умеют делать тонкими слоями.

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.

Древний свинец, пролежавший на дне моря две тысячи лет, стал сердцем детектора, который ищет самую неуловимую субстанцию во Вселенной. Из него вырастили прозрачный кристалл вольфрамата свинца массой 13 граммов и охладили почти до абсолютного нуля. Такой свинец ценен тем, что за столетия из него успели распасться почти все нестабильные атомы — он стал исключительно чистым, как вода из горного родника.

Тёмная материя — невидимая субстанция, которая держит галактики вместе, но до сих пор ускользает от прямых наблюдений. Детектор BULLKID-DM спроектирован так, чтобы ловить частицы-кандидаты с массой около 1 ГэВ (примерно как у протона) и очень слабым взаимодействием с обычным веществом — сечение меньше $$10^{-40}$$ см². Это как пытаться услышать шёпот в шумном городе.

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.

Тёмная материя не светится и не отражает свет, но её притяжение удерживает галактики от разлёта. Из чего она состоит — загадка. Один из главных кандидатов — аксионы, сверхлёгкие частицы. Их поиск похож на прослушивание очень тихого радиосигнала, но мешает собственный шум приёмника.

В глубине подземной лаборатории детектор размером с комнату ждёт события, которое может произойти раз в сто миллионов миллиардов лет. Это безнейтринный двойной бета-распад — процесс, который нарушил бы один из главных законов физики. Чтобы его поймать, нужна идеальная тишина: ни одного лишнего радиоактивного атома в материалах детектора.

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.