Они не нашли аксионы — но впервые почти услышали их шёпот сквозь шум космоса

Международная группа физиков существенно расширила границы поиска гипотетических частиц аксионов — одних из наиболее перспективных кандидатов на роль темной материи. В рамках эксперимента HAYSTAC (Haloscope at Yale Sensitive to Axion Cold Dark Matter) ученым из Йельского университета, Беркли и Университета Джонса Хопкинса удалось провести самое масштабное на сегодняшний день исследование, применив квантовое сжатие для повышения чувствительности измерительного оборудования.

Первые предположения о существовании аксионов появились в конце 1970-х годов, когда теоретики Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг искали объяснение временной симметрии в сильных ядерных взаимодействиях. Впоследствии эти субатомные частицы привлекли внимание космологов как возможное объяснение природы темной материи — загадочной субстанции, которая практически не взаимодействует с электромагнитным излучением, но предположительно составляет большую часть массы Вселенной. Согласно теоретическим расчетам, взаимодействие аксионов с обычным веществом настолько слабое, что их обнаружение требует создания особо чувствительных экспериментальных установок.

Рейна Маруяма, одна из авторов исследования, отмечает особую роль физика Пьера Сикиви в развитии теории аксионов. Именно он первым осознал потенциал этих частиц как компонента темной материи и предложил метод их поиска. Практически одновременно к схожим выводам пришли еще три независимые исследовательские группы: коллектив под руководством Сикиви и Лу Эбботта, команда Майкла Дайна и Вилли Фишлера, а также объединение Джона Прескилла, Марка Уайза и Фрэнка Вильчека.

Соавтор исследования Стив Ламоро, долгие годы изучавший проблему сильного взаимодействия CP-симметрии, объясняет сложность поиска аксионов через призму теоретической физики. В уравнениях существует числовой параметр тета, определяющий уровень асимметрии при обращении времени. Теоретически он может принимать практически любые значения, однако экспериментальные данные, полученные при измерении электрического дипольного момента нейтрона, указывают на чрезвычайно малую величину — менее 10^(-10). Парадокс заключается в том, что асимметрия обращения времени наблюдается при распаде "экзотических" мезонов, создавая противоречие в физике элементарных частиц. А вот теория аксионов предлагает элегантное решение загадки.

Сикиви не только обосновал роль аксионов теоретически, но и разработал концепцию детектора "галоскопа" — устройства для поиска частиц темной материи в галактическом гало. В основе прибора лежит микроволновый резонатор, помещенный в сверхмощное магнитное поле. В таких условиях аксионы должны преобразовываться в фотоны радио- или микроволнового диапазона, что позволит зафиксировать их присутствие, несмотря на исключительно слабый сигнал.

Карл ван Биббер, руководитель проекта, рассказывает об истоках эксперимента HAYSTAC. Пятнадцать лет назад, когда классические эксперименты с микроволновыми резонаторами в гигагерцевом диапазоне демонстрировали стабильный прогресс, научному сообществу потребовался принципиально новый подход для исследования частиц с большей массой. HAYSTAC задумывался как компактная экспериментальная площадка для разработки инновационных усилителей и резонаторов, способных работать на сверхвысоких частотах.

Повышение рабочей частоты поставило перед физиками серьезные технические вызовов. Увеличение частоты неизбежно приводит к уменьшению объема конверсионной полости и снижению плотности аксионов при заданной массе гало на единицу объема. Для преодоления этих фундаментальных ограничений команда HAYSTAC применила передовые квантовые технологии измерений.

На втором этапе эксперимента ученые внедрили метод квантового сжатия для подавления квантового шума — случайных флуктуаций, препятствующих точным измерениям. HAYSTAC стал вторым в мире проектом после Advanced LIGO, использующим данную технологию, чтобы повысить чувствительность приборов. Исследователи также модернизировали установку, интегрировав внешние безкриогенные рефрижераторы растворения, что позволило существенно снизить эксплуатационные расходы.

Хотя прямых доказательств существования аксионов пока не получено, научной группе удалось значительно расширить исследуемое параметрическое пространство. В планах физиков — дальнейшее совершенствование оборудования HAYSTAC и развитие других методов поиска темной материи с использованием галоскопов в лабораториях Йельского университета.

Даниэль Спеллер, соавтор исследования, рассказала немного о перспективных направлениях работы команды. Среди них — масштабный проект ALPHA, нацеленный на поиск аксионов значительно большей массы с помощью плазменного галоскопа, который сейчас монтируется в Йеле. Параллельно развивается технология CEASEFIRE, использующая двухрезонаторную квантовую запутанность для десятикратного ускорения поиска частиц. Отдельное внимание уделяется созданию детекторов одиночных фотонов на основе ридберговских атомов и разработке резонаторов из сверхпроводящих метаматериалов для работы на частотах свыше 10 гигагерц.