Темная материя может прятаться в вашей микроволновке (почти). Рассказываем об эксперименте QUAX в Италии

Если темная материя действительно состоит из аксионов, то ее можно поймать не в гигантском детекторе под землей, а в аккуратной «микроволновке» внутри мощного магнита. Итальянские физики как раз сделали важный шаг в эту сторону: они показали, что их установка умеет настраиваться и искать аксионы там, куда раньше почти никто не добирался, на более высоких частотах.

Команда сообщила, что провела поиск так называемых космологических аксионов, просканировав полосу в 38 МГц вокруг частоты примерно 10,2 ГГц. В терминах массы гипотетической частицы это соответствует области выше 40 микроэлектронвольт. Именно этот «узкий коридор» сейчас особенно интересен теоретикам: в последних моделях аксионы в таком диапазоне выглядят перспективными кандидатами на роль невидимой «недостающей» массы Вселенной.

Работу выполнили на двух специализированных установках типа галоcкоп, размещенных в итальянских лабораториях Национального института ядерной физики: в Леньяро (LNL) и Фраскати (LNF). Галоcкоп в этом контексте это детектор, который пытается заставить аксион проявить себя через превращение в фотон, то есть в квант электромагнитного излучения.

Сами аксионы придумали не из любви к экзотике. В теории они одновременно решают две большие проблемы: объясняют, почему некоторые ядерные взаимодействия не нарушают симметрию по времени так, как могли бы, и при этом остаются одним из главных кандидатов на темную материю. Беда в том, что никто не знает их точную массу, а значит, нельзя «настроить приемник» на одну конкретную частоту и ждать сигнала. Нужно уметь быстро и аккуратно перебирать диапазон значений, не теряя чувствительности.

В новом эксперименте коллаборации QUAX ключевую роль сыграл высокочастотный галоcкоп, рассчитанный на работу выше 10 ГГц. Внутри него медная микроволновая полость помещена в сильное магнитное поле. По идее, если аксионы существуют и проходят через установку, то благодаря их связи с фотонами в магнитном поле они могут конвертироваться в реальные фотоны. На практике это выглядит как крошечный избыток мощности на строго определенной частоте, настолько слабый, что его легко перепутать с обычным тепловым или электронным шумом.

Чтобы отличить возможный след аксиона от фоновых помех, исследователи используют антенну с правильной связью с резонатором и усилитель квантового предела. Самой важной особенностью установки стала настраиваемость: частоту резонатора можно менять, регулируя апертуру полости. После каждого шага команда сравнивает уровень «чистого шума» с тем, не появилось ли что-то лишнее в нужной точке спектра.

Сигнала, который можно было бы уверенно списать на превращение аксиона в фотон, в этом прогоне не нашли. Но результат все равно считают значимым: система доказала, что способна стабильно сканировать частоты в новом для таких экспериментов диапазоне и делать это с высокой чувствительностью. Дальше планы понятны: поднять чувствительность, расширить охватываемую область масс, перейти на более совершенные резонаторы и максимально автоматизировать процесс сканирования.

Если когда-нибудь такой «лишний пик» окажется настоящим следом аксиона, это станет первым прямым указанием на природу темной материи. И тогда выяснится, что самая большая загадка космологии скрывалась не в далеких галактиках, а в почти незаметном всплеске микроволн в лабораторной установке.