Австралийский эксперимент направлен на поиск неуловимой частицы

Бен Макаллистер – ученый и научный сотрудник, проживающий между Пертом и Мельбурном. Он занимает должности в университете Западной Австралии и Суинбернском университете.

Австралийские ученые делают большие шаги к разгадке одной из величайших загадок Вселенной: природы невидимой «темной материи». Эксперимент ORGAN, первый крупный детектор темной материи в Австралии, недавно завершил поиск гипотетической частицы под названием аксион — популярного кандидата среди теорий, пытающихся объяснить темную материю.

ORGAN наложил новые ограничения на возможные характеристики аксионов и тем самым помог сузить их поиск, но прежде чем мы забегаем вперед…

Начнем с истории

Около 14 миллиардов лет назад все маленькие кусочки материи — фундаментальные частицы, которые позже станут вами, планетой и галактикой, — были сжаты в одну очень плотную, горячую область. Затем произошел Большой взрыв, и все разлетелось на части, частицы объединились в атомы, которые в конечном итоге слиплись вместе, образовав звезды, которые взорвались и создали всевозможные экзотические материи.

Через несколько миллиардов лет появилась Земля, которая со временем кишела маленькими существами, называемыми людьми. Крутая история, правда? Оказывается, это не вся история, это даже не половина. Люди, планеты, звезды и галактики состоят из «обычной материи». Остальное состоит из того, что мы называем «темной материей». Ее название говорит вам почти все, что мы о ней знаем. Она не излучает свет (поэтому мы называем ее «темной») и имеет массу (поэтому мы называем ее «материей»). 

Если он невидим, как мы узнаем, что он там?

Когда мы наблюдаем, как предметы движутся в пространстве, мы снова и снова обнаруживаем, что не можем объяснить наши наблюдения, если будем рассматривать только то, что можем видеть. Отличным примером являются вращающиеся галактики.

Большинство галактик вращаются со скоростью, которую нельзя объяснить только гравитационным притяжением видимой материи. Таким образом, в этих галактиках должна быть темная материя, обеспечивающая дополнительную гравитацию и позволяющая им вращаться быстрее, не разбрасывая части в космос Мы думаем, что темная материя буквально удерживает галактики вместе.

Значит, во Вселенной должно быть огромное количество темной материи, притягивающей все, что мы видим. Она тоже проходит сквозь вас, как какой-то космический призрак. Вы просто не можете ее почувствовать.

Как мы могли его обнаружить?

Многие ученые считают, что темная материя может состоять из гипотетических частиц, называемых аксионами.Аксионы изначально были предложены как часть решения другой серьезной проблемы в физике элементарных частиц, называемой «проблемой сильной СР» (о которой мы могли бы написать целую статью).

Как бы то ни было, после того как был предложен аксион, ученые поняли, что при определенных условиях частица также может составлять темную материю, потому что ожидается, что аксионы будут иметь очень слабое взаимодействие с обычной материей, но все же иметь некоторую массу: два условия, необходимые для темной материи.

Итак, как вы относитесь к поиску аксионов? Что ж, поскольку считается, что темная материя окружает нас повсюду, мы можем построить детекторы прямо здесь, на Земле.И, к счастью, теория, предсказывающая аксионы, также предсказывает, что аксионы могут превращаться в фотоны (частицы света) при определенных условиях.

«Это хорошая новость, потому что мы отлично умеем обнаруживать фотоны. И это именно то, что ORGAN делает. Он создает правильные условия для преобразования аксионов в фотоны и ищет слабые фотонные сигналы — маленькие вспышки света, генерируемые темной материей, проходящей через детектор.

Этот тип эксперимента называется аксионным галоскопом и впервые был предложен в 1980-х годах. Сегодня в мире существует несколько таких экспериментов, каждый из которых немного отличается в важных отношениях.

Пролить свет на темную материю

Считается, что аксион преобразуется в фотон в присутствии сильного магнитного поля.В типичном галоскопе мы генерируем это магнитное поле с помощью большого электромагнита, называемого «сверхпроводящим соленоидом».

Внутри магнитного поля мы размещаем одну или несколько полых металлических камер, которые предназначены для улавливания фотонов и заставляют их отражаться внутри, облегчая их обнаружение.

Однако есть одна загвоздка: все, что имеет температуру, постоянно испускает небольшие случайные вспышки света (именно поэтому работают тепловизионные камеры). Эти случайные излучения или «шум» затрудняют обнаружение слабых сигналов темной материи, которые мы ищу.

Чтобы обойти это, мы поместили наш резонатор в «холодильник для растворения». Чем холоднее будет эксперимент, тем лучше мы сможем «услышать» слабые фотоны, возникающие при преобразовании темной материи.

Таргетинг на массовые регионы

Аксион определенной массы преобразуется в фотон определенной частоты или цвета, но, поскольку масса аксионов неизвестна, эксперименты должны нацеливать свои поиски на разные регионы, сосредоточив внимание на тех, где темная материя считается более вероятной.

Если сигнал темной материи не обнаружен, то либо эксперимент недостаточно чувствителен, чтобы услышать сигнал выше шума, либо в соответствующей области массы аксиона нет темной материи.

Когда это происходит, мы устанавливаем «предел исключения» — это просто способ сказать: «Мы не нашли никакой темной материи в этом диапазоне масс и на этом уровне чувствительности». чтобы направить свои поиски в другое место.

ORGAN – самый чувствительный эксперимент в выбранном диапазоне частот. В ходе недавнего запуска не было обнаружено сигналов темной материи. Этот результат установил важный предел исключения для возможных характеристик аксионов.

Это первая фаза многолетнего плана по поиску аксионов, сейчас мы готовим следующий эксперимент, который будет более чувствительным и нацелен на новый, пока неизведанный диапазон масс.

Но почему темная материя имеет значение?

Ну, во-первых, мы знаем из истории, что когда мы инвестируем в фундаментальную физику, мы в конечном итоге разрабатываем важные технологии.Например, все современные вычисления основаны на нашем понимании квантовой механики. Мы бы никогда не открыли электричество или радиоволны, если бы не занимались вещами, которые в то время казались странными физическими явлениями за пределами нашего понимания.

Темная материя — то же самое. Подумайте о том, чего достигли люди, поняв лишь одну шестую материи во Вселенной, и представьте, что мы могли бы сделать, если бы открыли все остальное.