Детектор ADMX начал охоту за тёмной материей

Охлаждение почти до абсолютного нуля и новые усилители позволили снизить уровень шума.
Фото Mark Stone/University of Washington.

Детектор ADMX наконец достиг чувствительности, которая позволит точно сказать, существует ли загадочная частица аксион, из которой, по одной из гипотез, состоит тёмная материя. О достижении рассказывает научная статья, опубликованная коллаборацией ADMX в журнале Physical Review Letters.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое тёмная материя и почему большинство специалистов считает, что она состоит из неизвестных науке частиц. Кандидатов на роль загадочной частицы множество, но одной из самых перспективных считается аксион, существование которого было теоретически предсказано около 40 лет назад.

Проверить, существуют ли аксионы на самом деле, а не только в головах теоретиков, не так просто. Дело в том, что эта частица почти никогда не взаимодействует с обычным веществом (как, в общем-то, и положено тёмной материи). К тому же, согласно расчётам, она имеет очень малую энергию: от 2,66 до 2,81 микроэлектронвольта.

Детектор ADMX предназначен для поиска аксионов. Предполагается, что в тех редких случаях, когда эта частица всё же взаимодействует с веществом, испускается квант радиоизлучения. Вот эти-то радиоволны и должны оказаться сигналом, что "клиент" обнаружен.

Однако здесь возникает сразу несколько трудностей. Прежде всего, поскольку известен лишь диапазон, в который попадает энергия аксиона, но не её точное значение, неизвестна и точная частота, на которой будут излучаться радиоволны.

Грей Рыбка (Gray Rybka), сопредседатель коллаборации ADMX, объясняет в пресс-релизе: "Мы создали радиоприёмник, который ищет радиостанцию, но мы не знаем её частоты. Мы медленно поворачиваем ручку во время прослушивания. В идеале мы услышим звук, когда частота окажется правильной".

Однако незнание частоты – сравнительно небольшая проблема по сравнению с низким уровнем сигнала. Излучение, вызванное единичным столкновением частицы с мишенью, очень слабое, а такие события, как уже упоминалось, происходят редко. Поэтому суммарная интенсивность радиоволн должна быть очень низкой. Значит, надо до предела снизить шумы системы, чтобы "расслышать" заветный сигнал.

 

ADMX запускается не впервые, но все предыдущие тесты показали, что шумы слишком сильны. И только недавно оборудование достигло нужной чувствительности.

Для этого мишень охладили до очень низкой температуры, лишь на 0,1 градуса Цельсия отличающейся от абсолютного нуля. Однако и этого оказалось недостаточно. Выяснилось, что стандартные транзисторные усилители, использованные при предыдущих запусках детектора, слишком "шумные".

Тогда исследователи разработали новые квантовые сверхпроводящие усилители специально для этой установки. Это и позволило достичь нужных показателей.

"Исходные версии этого эксперимента с использованием транзисторных усилителей потребовали бы сотен лет для сканирования наиболее вероятного диапазона масс аксиона. С помощью новых сверхпроводящих детекторов мы можем "прочесать" тот же диапазон всего лишь за несколько лет" – говорит Джанпаоло Карози (Gianpaolo Carosi), сопредседатель коллаборации ADMX.

За эти несколько лет инструмент проверит миллионы частот, лежащих в нужном диапазоне. Если аксионы существуют, они будут обнаружены. Если же эксперимент не даст результата, придётся признать, что тёмная материя состоит из чего-то другого.

"Этот результат – как поднятие флага, – заключает Лесли Розенберг (Leslie Rosenberg), главный исследователь ADMX. – Он говорит миру, что у нас есть [нужная] чувствительность, и у нас очень хорошие шансы найти аксион. Никаких новых технологий не требуется. Нам больше не нужно чудо, нам просто нужно время".

Напомним, что "Вести.Наука" и ранее писали о детекторах, призванных уловить частицы тёмной материи. Мы рассказывали об экспериментах, которые уже завершились, ещё продолжаются и только планируются.

Сегодня