Новий детектор у США, можливо, вже наступного року виявить частинки темної матерії – аксіони. Ці на диво легкі частинки вважають ймовірними кандидатами на роль складових темної матерії. Axion Dark Matter Experiment (ADMX-Experiment) – перший детектор, який може виявити аксіони. Якщо їх знайти не вдасться, фізикам доведеться розробляти нову гіпотезу.
Принцип роботи ADMX: коли частота в порожнині детектора відповідна, то в протони перетворюється особливо багато аксіонів, і це можна відстежити. Зображення: C. Boutan/PNNL, APS/Alan Stonebraker.
Хоча темна матерія становить більшість маси в нашому Всесвіті, дотепер невідомо, з яких частинок вона складається. Адже вона невидима – і, згідно з поширеними припущеннями, через свою силу тяжіння взаємодіє з нормальною матерією. Відповідно, виявити її екзотичні частинки дуже складно.
Інша проблема полягає в тому, що фізики ще не дійшли згоди, в якому масовому діапазоні вони повинні шукати ці частинки. Впродовж тривалого часу кандидатами на роль складників темної матерії вважали так звані слабовзаємодіючі масивні частинки (вімпи). Вони повинні бути приблизно у 1000 разів важчими, ніж протони. Проте дотепер навіть найчутливіші датчики не змогли виявити й сліду таких вімпів. Деякі фізики захищають варіант за участі сильновзаємодіючих масивних частинок (сімпів).
Та чимало вчених надають перевагу іншому кандидатові – аксіонові, частинці, що мала б бути в мільярди разів легшою, ніж електрон, і через це значно чисельнішою. Аби її виявити, впродовж останніх років науковці працювали над розробкою та створенням спеціального детектора – експеримент аксіонів темної матерії (Axion Dark Matter Experiment, ADMX).
Сьогодні ADMX готовий: перші вимірювання довели, що він достатньо чутливий, аби виявити аксіони – якщо вони взагалі існують – вже впродовж наступного року. «Відкриття може відбутися в будь-який момент впродовж наступних років, – сказав Арон Чоу (Aaron Chou) з Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі, одного з інститутів, залучених до розробки детектора. – Тобто найнапруженіший час пошуків аксіонів починається саме зараз».
Цей детектор шукає аксіони у незвичний спосіб: з огляду на те, що вони дуже легенькі, він не братиме до уваги зіткнення частинок (на відміну від інших детекторів).Через це ADMX функціонує радше як надчутливий радіоприймач. Він прослуховує протони, які виникають з перетворення аксіонів у сильному магнітному полі.
Але, згідно з теорією, завдяки хвильовій природі аксіони також повинні перескакувати в певні частоти. «В принципі, ADMX поводиться як короткохвильове радіо, – пояснив речник ADMX Грей Рибка (Gray Rybka) з Вашингтонського університету. – Лише ми не знаємо частот радіостанцій, які шукаємо. Через це ми повільно крутимо регулятор частот, прислуховуючись. Якщо частота правильна, в ідеалі ми мали б почути звук».
Обрахунки засвідчують, що аксіони мали б коливатися в частотному діапазоні від кількох кілогерц до кількох гігагерц.
Fahndung nach dem Axion beginnt
University of California Berkeley, Fermi National Accelerator Laboratory, 11.04.2018
Зреферувала Соломія Кривенко
21.04.2018