Если темная материя на самом деле является аксионами, мы скоро сможем это узнать

Из наблюдений за галактикой Млечный Путь мы узнали, что в любом кубическом метре пространства, даже в том кубическом метре, который плотно помещается В вашей сидячей форме, когда вы читаете эту статью, в любой момент времени через вас проходит небольшое количество материи — всего около 50 масс протонов. Но в отличие от частиц, составляющих вашу сидячую форму, эта материя не взаимодействует. Он не отражает свет, не отталкивается от твердых предметов, проходит сквозь стены. Это загадочное вещество известно как темная материя.

Поскольку в каждом кубическом метре его так мало, вы никогда не заметите его присутствия. Но на огромных расстояниях космоса кубических метров очень много, и вся эта темная материя складывается. Гравитационное влияние темной материи становится очевидным только тогда, когда вы отдаляете масштаб и смотрите на картину в целом. Это основной источник гравитации, удерживающий вместе все галактики; он связывает галактики друг с другом в скопления; и он искажает пространство вокруг скоплений галактик, создавая эффект линзирования.

Но, несмотря на ее важность для крупномасштабной структуры Вселенной, мы до сих пор не знаем, что такое темная материя на самом деле. В настоящее время лучшим кандидатом являются вимпы, или слабо взаимодействующие массивные частицы (что имеет смысл теперь, когда мы знаем, что это не массивные компактные объекты-ореолы или MACHO). Но WIMP — не единственный вариант: их довольно много. другие возможности изучаются. Некоторые из них представляют собой другие виды массивных частиц, которые могли бы представлять собой холодную темную материю, в то время как другие это вообще не частицы.

Аксионы, теоретические частицы, которые первоначально предсказывали как решение сложной проблемы, связанной с мощное ядерное взаимодействие, обладает именно теми свойствами, которые позволяют ему стать хорошим кандидатом на роль темного иметь значение. Лесли Розенберг, физик из Вашингтонского университета в Сиэтле, недавно написала обзор эксперименты, проводимые для исследования возможности того, что аксионы являются темной материей для журнала ПНАС.

Горячий или холодный?

Среди различных моделей темной материи есть две общие категории: горячая (HDM) и холодная темная материя (CDM). Горячая разновидность получила свое название потому, что ее частицы будут вращаться с невероятно высокими скоростями, достигающими значительных долей скорости света. Но горячая темная материя, похоже, является тупиковой возможностью. Если бы частицы двигались так быстро, большинство из них смогли бы избежать гравитационного притяжения родительской галактики. Вместо этого темная материя формируется в красивые сферические гало вокруг каждой галактики, а это означает, что она, вероятно, холодная.

Физическая разница между HDM и CDM заключается в массе. Если темная материя состоит из частиц малой массы, то частицам будет легко ускоряться. а поскольку частицы так мало взаимодействуют с другими частицами, их было бы очень трудно замедлить; отсюда и релятивистские скорости HDM. Таким образом, CDM должен быть частицей с большей массой, потому что ее не так легко ускорить. Вимпы попадают в эту категорию.

Между тем, аксионы занимают уникальную промежуточную позицию между HDM и CDM. Это частицы с малой массой, достаточно малые, чтобы они могли быть HDM, за исключением того, что они были гравитационно замедлены в самой ранней Вселенной. По сути, теперь они ведут себя как CDM, движутся медленно и, таким образом, потенциально образуют ореолы темной материи, которые мы наблюдаем, даже несмотря на то, что они имеют массу HDM. Важно отметить, что аксионы достаточно слабо взаимодействуют со светом и другой материей, чтобы выполнять «темную» часть темной материи.

Одним из преимуществ аксионов как темной материи является то, что существует только очень специфический диапазон масс аксионов, который соответствует наблюдаемой нами темной материи. Если бы аксионы были намного легче или намного тяжелее, они произвели бы наблюдаемые различия — достаточно заметные, чтобы мы их уже видели. Например, взрыв сверхновой sn1987a потерял бы энергию, поскольку аксионы вынесли ее из космоса. взрыва звезды, что привело бы к заметно иной вспышке нейтрино, чем та, что была зафиксирована на Земля.

Этот узкий диапазон возможностей делает аксионную гипотезу очень простой для окончательной проверки. Поскольку диапазон настолько узок, тест, который окажется отрицательным, может полностью исключить возможность аксионов. (Они могли бы еще существовать, но были бы исключены как кандидаты на темную материю). А в науке проверяемость делает гипотезу очень привлекательной (по крайней мере, до тех пор, пока проверка не исключит вашу любимую модель).

Так как же нам его найти?

Еще одним преимуществом аксионов является то, что они могут самопроизвольно распадаться на предметы, которые можно наблюдать. Аксион может превратиться в два фотона, и этот свет гипотетически можно обнаружить. Возможен и обратный процесс — превращение света в аксион — и он может даже играть роль в распространении света. Свет на короткое время станет аксионом, который затем снова распадется на два фотона, при этом кратковременно существовавший аксион будет считаться виртуальным аксионом.

Еще один эффект, который аксионы могли оказать, мог бы быть нанесен на Солнце: его сейсмическая активность и выход энергии могут зависеть от взаимодействия аксионов. И эти солнечные аксионы могли рассеиваться на кристалле германия, производя рентгеновские лучи, которые можно было наблюдать. Кроме того, аксионы темной материи в гало вокруг астрономических объектов, как и в других галактиках, могут спонтанно распадаться и производить фотоны, которые мы могли бы увидеть в телескопы.

К сожалению, ни один из этих тестов не является достаточно чувствительным, чтобы обнаружить ожидаемый диапазон масс аксионов, которые могли бы представлять собой темную материю. Чтобы найти аксионы в правильном диапазоне, есть несколько методов, которые могут сработать, и некоторые из них прямо сейчас опробуются в экспериментах.

Астрономические аксионы

Астрономические объекты могут дать возможность наблюдать аксионы. Их должны производить сверхновые (как отмечалось выше), как и другие астрономические объекты, такие как Солнце.

В ядре Солнца свет рассеивается от частиц, с которыми он там сталкивается, отскакивая от частиц. частице до тех пор, пока ее случайный путь не позволит ей покинуть Солнце (около 170 000 лет после того, как свет был произведено). Поскольку свет рассеивается в этом процессе, он может превратиться в аксион. Этот аксион может затем снова превратиться в два фотона, находясь еще внутри Солнца. Поскольку аксион был произведен в горячем ядре Солнца, фотоны, наблюдаемые здесь, на Земле, в конечном итоге будут иметь форму рентгеновских лучей. В качестве альтернативы мы потенциально могли бы обнаружить сами аксионы, если они покинут Солнце.

Но было бы трудно отличить, являются ли аксионы, обнаруженные таким образом, темной материей или просто частью нормального физического процесса. Более энергичные события, такие как сверхновые, также не смогут произвести однозначно обнаруживаемые аксионы темной материи.

Лучшим экспериментом с использованием этого метода на данный момент является Аксионный солнечный телескоп CERN. Используя дипольный магнит Большого адронного коллайдера на управляемой установке, это устройство могло достичь хорошей чувствительности к аксионы, покидающие Солнце, — но оно едва ли более чувствительно к аксионам темной материи, чем наблюдения сверхновой sn1987a были. Таким образом, хотя этот эксперимент сам по себе не может исключить аксионы, он может еще больше ограничить свойства аксионной темной материи.

Однако разрабатывается более чувствительная версия, которая может дать лучшее понимание.

Свет сквозь стены!

Еще один метод, позволяющий обнаружить аксионы темной материи, — это метод «Сияния света сквозь стены», и именно так он и звучит. (Имя, которое мы не придумали, если вам интересно). Как мы видели, свет может превращаться в аксионы, а аксионы могут превращаться в свет. Поэтому, если исследователи захотят создать аксионы в лаборатории, они могут начать с небольшого количества света.

Посылая немного поляризованного света через дипольный магнит, часть света можно преобразовать в аксионы. Тогда аксионы смогут пройти сквозь стену, как если бы ее там не было, и появиться на другой стороне. Если они встретят второй дипольный магнит, он преобразует аксионы обратно в фотоны, которые затем детектируются. Честно говоря, это не измерение ранее существовавших аксионов, поэтому оно не демонстрирует, что наблюдаемая нами темная материя состоит из аксионов — а лишь то, что аксионы в правильном диапазоне масс существуют. Но это само по себе стало бы веским аргументом в пользу того, что темная материя — это аксионы.

Проблема этого метода в том, что этот процесс происходит очень редко — настолько редко, что было бы очень трудно отличить такую ​​световую вспышку от окружающего шума. В результате этот метод не будет достаточно чувствительным для обнаружения аксионов в диапазоне масс темной материи.

Но сейчас проводятся эксперименты, направленные на решение этой проблемы путем добавления устройств, называемых оптическими резонаторами Фабри-Перо, по обе стороны стены. Это приводит к увеличению количества фотонов, которые распадаются на аксионы и наоборот, что должно сделать сигнал гораздо более сильным — достаточно сильным, чтобы выделяться на фоне шума. Но, несмотря на улучшения, эти эксперименты, вероятно, все еще не будут достаточно чувствительными, чтобы обнаружить аксионную темную материю, хотя они, возможно, смогут найти другие формы аксионов.

Ловля аксионов

Другой подход известен как метод радиочастоты (РЧ). Это зависит от способности аксиона распадаться на свет и может позволить исследователям поймать его. Аксионы, являющиеся частью ореола темной материи Млечного Пути, должны постоянно проходить через Землю, делая их в пределах досягаемости. Единственное, что нужно – это правильная кетчерская перчатка. Как и другие кандидаты на темную материю, аксионы проходят сквозь твердую материю, поэтому сложно разработать устройство, способное их поймать. Но в отличие от других кандидатов на темную материю, аксионы могут взаимодействовать с магнитным полем. Если это так, аксион можно стимулировать к распаду на микроволновые фотоны. Эти фотоны затем можно было бы обнаружить.

Рукавица ловца в данном случае представляет собой устройство, называемое радиочастотной полостью, металлический цилиндр, который служит резонатором, удерживая внутри улавливаемые им электромагнитные волны.

Этот подход был использован в эксперименте Axion Dark Matter eXperiment (ADMX). Это устройство с радиочастотным резонатором имеет высоту четыре метра, но сама полость, та часть, где находится аксион, фотоны будут пойманы, имеет высоту всего около полуметра и окружен мощным, охватывающим магнит. Основная трудность этого эксперимента, как и многих экспериментов в астрономии, заключается в уменьшении шума. Аксионы, входящие в гало Млечного Пути, должны производить несколько чрезвычайно слабых фотонов, которые очень трудно отличить от фонового шума.

Чтобы решить эту проблему, устройство ADMX недавно было переоборудовано, заменив его транзисторные усилители на сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (СКВИДы). СКВИДы более эффективно усиливают сигнал микроволновых фотонов, которые улавливает устройство, помогая им выделиться из шума. ADMX, усовершенствованный СКВИДами, достаточно чувствителен, чтобы с высокой степенью достоверности обнаруживать аксионы из гало темной материи Млечного Пути. В течение следующих нескольких лет этот эксперимент может окончательно исключить аксионы как сущность темной материи или подтвердить эту гипотезу.

Выводы

Возможности, открывающиеся в результате этих экспериментов, особенно ADMX, впечатляют, поскольку они представляют собой явный прогресс в решении загадки темной материи. И это нетривиальная загадка, поскольку понимание темной материи важно для нашего понимания Вселенной в целом.

Но в науке все зачастую сложнее, чем кажется на первый взгляд, как предупреждает автор в статье. «Возможно, связь между массой аксиона и связями ослабла. В таком случае вполне могут быть сюрпризы», — пишет он. Тем не менее, он не преуменьшает потенциальное значение ADMX: «чувствительность к аксионам КХД темной материи наконец-то было достигнуто с помощью техники радиочастотного резонатора, и вскоре мы, возможно, узнаем, состоит ли темная материя из аксионы».

Если темная материя действительно окажется аксионами, это будет хорошей новостью, по крайней мере, в одном смысле: физики смогут напрямую обнаруживать темную материю и экспериментировать с ней, что станет благом для космологии. Учитывая, что пока нет уверенности в том, что темная материя вообще взаимодействует (а в противном случае было бы практически невозможно непосредственно наблюдать), это действительно было бы хорошей новостью.

ПНАС, 2014. ДОИ: 10.1073/пнас.1308788112 (О DOI)