связь аксиона с фотоном

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.

Ранняя Вселенная напоминает кипящий котёл, где частицы и античастицы рождаются и аннигилируют в равных долях. Но сегодня вокруг нас только материя — звёзды, планеты, мы сами. Как крошечный перевес в одну миллиардную долю возник из первоначального равенства? Один из ответов прячется в колебаниях тяжёлого поля, похожего на скалу, которую прилив то заливает, то обнажает.

Свет от самой горячей стадии Вселенной летит к нам почти 14 миллиардов лет. Это реликтовое излучение — слабое свечение, заполняющее всё небо, своего рода «эхо» Большого взрыва. Недавно астрономы заметили странность: его поляризация — направление колебаний электрического поля — оказалась повёрнута примерно на 0,3 градуса.

В первую долю секунды после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное раздувание — инфляцию. Двигателем этого процесса, возможно, было гипотетическое скалярное поле, медленно скатывающееся по своему потенциалу, словно шарик по пологому склону. Это поле называют аксионом.

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 123 парсеках от Земли, в созвездии Южной Короны, плывёт нейтронная звезда RX J1856.5-3754. Её поперечник — около 12 километров, меньше кольцевой автодороги вокруг Москвы, но температура поверхности достигает 460 000 кельвинов. Звезда делает медленный, почти неслышный выдох.

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.

Представьте зеленый луч, который, проходя через хитроумную оптическую схему, скручивается в трёхмерную воронку света — оптический вихрь. В его сердце, словно в глазу урагана, интенсивность падает до нуля. Именно там фотоны исчезают.

С тех пор как Сол Перлмуттер и его коллеги открыли ускоренное расширение Вселенной, физики ломают голову над природой тёмной энергии.

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.

В ранней Вселенной могли рождаться крошечные чёрные дыры — с гору массой, но размером с атомное ядро. Сегодня они способны служить фабриками тёмной материи. Механизмов два: привычное испарение (излучение Хокинга) и менее известное сверхизлучение.

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.

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.

Обычный фонарик излучает свет симметрично вперёд и назад. Однако в магнитных кристаллах возникает особое квазичастичное возбуждение — аксион, представляющее собой коллективную волну магнитного момента, подобную «волне» на стадионе: атомы последовательно передают друг другу магнитный импульс.

Ядра атомов далеко не всегда напоминают бильярдные шары — эту аналогию мы используем лишь для простоты. В реальности одни ядра вытянуты подобно сигарам, другие сплюснуты, как диски. А у ксенона-129 форма оказалась похожей на картофелину — это бугристый трёхосный эллипсоид, то есть фигура, у которой все три оси имеют разную длину.

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.

Толстый резиновый жгут скручивают всё сильнее. В какой-то момент он не выдерживает — рвётся и хлещет по сторонам, высвобождая накопленную энергию. Примерно так же ведут себя магнитные поля внутри нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил.

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.

В тёмной комнате вспыхивает невидимая лампа. Её свет не похож на привычный: у него нет постоянной яркости, только редкие, но мощные всплески. Это яркий сжатый вакуум — состояние света, в котором нет обычной волны, но есть сильные квантовые флуктуации. Именно таким светом физики обстреляли атомы ксенона. Каждый всплеск выбивает из атома электрон.

После гибели массивной звезды происходит взрыв сверхновой — настолько мощный, что одна вспышка светит ярче целой галактики. В этом огне рождаются миллиарды аксионов — гипотетических частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом и потому остаются невидимыми.

В кристалле титаната бария есть встроенное электрическое поле — как у постоянного магнита, только для зарядов. Когда туда попадает вспышка света, она выбивает электроны, и те начинают метаться, сталкиваясь с атомами. Но кристалл не одинаков во всех направлениях: у него есть ось, вдоль которой поле самое сильное.

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.

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.

Тонкая плёнка из арсенида индия, лежащая на изолирующей подложке, ведёт себя как термос с двойными стенками: электроны внутри неё почти не отдают тепло окружающему кристаллу. В обычном металле электроны быстро обмениваются энергией с колебаниями атомов, поэтому их температура всегда близка к температуре образца.

На Большом адронном коллайдере физики разгоняют протоны почти до скорости света и сталкивают их. Обычно в таких столкновениях участвуют сами протоны, но иногда они пролетают рядом, не задевая друг друга, а взаимодействуют их электрические поля. Эти поля можно представить как облака из фотонов — частиц света, которые окружают каждый протон.

В венгерском институте ядерных исследований ATOMKI физики заметили нечто странное: в распадах возбуждённых атомных ядер иногда рождаются пары электронов и позитронов, которые разлетаются под необычным углом. Будто между ними прячется невидимая частица-посредник, которая на миг появляется и исчезает.

Обычный свет — это поток независимых частиц: фотоны пролетают друг сквозь друга, не замечая соседей. Но в сверхпроводящих цепях, охлаждённых почти до абсолютного нуля, ситуация меняется. Там фотоны путешествуют по узким дорожкам из металла, и если в эти дорожки встроить крошечные элементы, называемые джозефсоновскими переходами, свет начинает «чувствовать» сам себя.

В лаборатории DESY запущен эксперимент ALPS II, нацеленный на обнаружение аксионов — гипотетических частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом, из которых может состоять тёмная материя. Эта невидимая масса выполняет роль гравитационного каркаса, удерживающего галактики от разлёта под действием центробежных сил при вращении.

Данные обзора галактик DESI намекают: тёмная энергия — таинственная субстанция, вызывающая ускоренное расширение Вселенной — в прошлом была мощнее, чем сегодня. Такое «фантомное» поведение, когда плотность энергии со временем растёт, грозит Вселенной Большим разрывом — финалом, где даже атомы распадутся под действием нарастающего отталкивания.

Внутри каждой живой клетки непрерывно идут химические превращения. Некоторые из них порождают нестабильные частицы — короткоживущие радикальные пары, чьи электроны ведут себя как спаренные магнитики. Их взаимодействие напоминает танец: каждое движение пары отзывается на внешние магнитные поля, словно на меняющийся ритм.

Радиометр ARCADE2 на высотном аэростате зафиксировал избыточное радиоизлучение, а наземный эксперимент EDGES — аномально глубокий провал в спектре водорода на 21 см. Оба сигнала не вписываются в стандартную космологическую модель и указывают на неизвестный источник мягких фотонов.