зондирование материалов рентгеновскими лучами

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 1981 году Алан Гут предложил сценарий космологической инфляции — молниеносного раздувания пространства, растянувшего квантовые флуктуации до масштабов целых галактик. С тех пор космологи, словно археологи, ведут раскопки этого события по структурам Вселенной.

Обычный микроскоп бессилен, если нужно разглядеть одиночный вирус во всех подробностях. Слишком мал. Но есть инструмент, который бьёт вспышками в миллиарды раз ярче солнечного света — рентгеновский лазер на свободных электронах. Он устроен так, что успевает «сфотографировать» частицу до того, как она испарится от его же луча.

Мощный лазер бьёт по алмазу, словно кузнечный молот. Только наковальней служит сама материя. Удар длится мгновение, но рождает давление в миллион раз выше атмосферного. Физики давно мечтали заглянуть в этот миг и увидеть, как атомы перестраиваются под натиском. Рентгеновский луч здесь — как вспышка фотоаппарата.

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.

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

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.

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.

Когда вещество сжимают до давлений в миллионы атмосфер и нагревают до тысяч градусов, оно перестаёт быть ни твёрдым телом, ни газом. Это тёплое плотное состояние — как в недрах планет-гигантов или в момент удара метеорита.

В куске оксида марганца толщиной в несколько атомных слоёв электроны ведут себя как толпа на эскалаторе: каждый движется по своим правилам, но вместе создают общий поток. Физики направили на такую плёнку мягкое рентгеновское излучение и выбили электроны наружу.

Чтобы выстроить спины частиц в одном направлении, физики обычно охлаждают вещество почти до абсолютного нуля и помещают его в сильное магнитное поле. Это дорого и громоздко. Новый способ напоминает настройку множества волчков лёгким прикосновением: молекулы-посредники временно связываются с целевыми атомами и передают им свою упорядоченность. Метод называется SABRE — усиление сигнала за счёт обратимого обмена.

Рентгеновский снимок обычно ассоциируется с громоздким аппаратом в больнице. Но такую картину может сделать устройство размером с ладонь, собранное из деталей для любительской электроники. Авторы работы взяли мини-компьютер Raspberry Pi, камеру на 12,3 мегапикселя и экран, который светится под рентгеновскими лучами.

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.

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.