В поисках темной материи: российские физики обращаются к квантовому шуму

Группа российских ученых из ведущих физических институтов Москвы, Нижнего Новгорода, Сарова и Санкт-Петербурга представила новый амбициозный проект, целью которого является поиск аксионов — гипотетических частиц, которые могут представлять собой темную материю. Новый эксперимент будет проводиться с помощью установки под названием «Космологический Аксионный Саровский Галоскоп» (CASH). В этом проекте будут использоваться уникальные однофотонные детекторы на основе джозефсоновских переходов, что позволит преодолеть квантовый предел чувствительности и достичь рекордных уровней в ранее не исследованной области масс. Этот прорыв может помочь разгадать природу темной материи, которая составляет более 80% всей материи во Вселенной. Об этом пишет 1rre.ru

Темная материя и квантовый шум: новая идея российских ученых

В журнале Physical Review D опубликовано описание амбициозного проекта по поиску аксионов, гипотетических частиц, которые могут составлять темную материю. Вселенная, которую мы наблюдаем, является лишь вершиной айсберга: обычная материя, из которой состоят звезды, планеты и мы сами, составляет менее 20% всей материи. Остальная часть — это загадочная темная материя, существование которой подтверждается только ее гравитационным воздействием на галактики и их скопления. Аксионы представляют собой одну из самых элегантных теорий, объясняющих природу этой субстанции.

Природа аксионов и их поиск

Аксионы были предложены почти полвека назад для решения проблем в физике сильных взаимодействий, но позднее выяснилось, что они идеально подходят для объяснения темной материи. Эти частицы очень легкие, почти не взаимодействуют с обычным веществом и могли возникнуть в огромных количествах в ранней Вселенной. Если наша галактика действительно окружена «облаком» аксионов, то их можно попытаться обнаружить с помощью специальных устройств — галоскопов. В сильном магнитном поле аксион может с низкой вероятностью превращаться в фотон — частицу света, что и является целью экспериментаторов.

Технология и методика эксперимента

Для обнаружения фотонов физики создают резонаторные полости, помещенные в мощное магнитное поле. Если частота резонатора совпадает с частотой, соответствующей массе аксиона, происходит резонансное усиление сигнала, что позволяет уловить слабый звук, подобно тому, как слуховой аппарат усиливает определенные звуки в шумной комнате. Однако масса аксиона неизвестна, и ученым необходимо «сканировать» диапазон возможных частот, перестраивая резонатор. Основным препятствием на этом пути является шум, включая тепловой шум и квантовый шум детекторов.

Инновационный подход проекта CASH

Проект CASH предлагает решение этой проблемы с помощью нового типа детектора, который работает как счетчик одиночных фотонов, а не как усилитель. В основе этого детектора лежит джозефсоновский переход — сверхпроводящее устройство, которое при поглощении даже одного микроволнового фотона резко меняет свое состояние. Это переключение можно легко зарегистрировать, что позволяет избавиться от шума, вносимого усилителем, и напрямую фиксировать фотоны, возникающие из аксионов. Чувствительность системы ограничивается только «темновыми срабатываниями» детектора, которые могут возникать из-за квантового туннелирования или внешних помех. Разработанные в России детекторы уже показывают рекордно низкий уровень темновых срабатываний — не более одного ложного сигнала за 100 секунд, что значительно превосходит показатели традиционных систем.

Дмитрий Горбунов, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ, представил инновационный проект CASH, который направлен на исследование аксионов — гипотетических частиц, способных объяснить природу темной материи. В отличие от традиционных методов, команда ученых предлагает качественно новый подход к детекции.

Новый подход к детекции

Горбунов подчеркивает, что проект CASH не просто улучшает существующие методы, а предлагает принципиально иной подход. Традиционные галоскопы усиливают слабый сигнал, но вместе с ним и шум, что затрудняет получение точных результатов. В отличие от них, команда CASH использует детектор, который способен регистрировать рождение одного-единственного фотона из аксиона. Это открывает новые горизонты в чувствительности и позволяет работать на уровне, ранее считавшемся недостижимым.

Проект CASH будет реализован в два этапа:

CASH-I

На первом этапе будет использована не перестраиваемая медная полость и магнит с полем 1.7 Тесла. Даже в этой конфигурации эксперимент сможет достичь высокой чувствительности всего за 12 дней наблюдений, превосходя все существующие аналоги в данной области масс аксионов.

CASH-II

Второй этап предполагает использование более мощного магнита (до 10 Тесла) и внедрение системы перестройки частоты резонатора. Это позволит просканировать ранее недоступный диапазон масс аксионов от 38 до 54 микроэлектронвольт с достаточной чувствительностью для проверки самых пессимистичных теоретических моделей.

Уникальные технологии

Уникальность проекта заключается не только в использовании однофотонных детекторов, но и в комплексном подходе к подавлению шумов. Установка будет охлаждаться до сверхнизких температур в 10-20 милликельвин, что исключает тепловые фотоны. Кроме того, разрабатывается система защиты от вибраций и электромагнитных помех, что значительно повышает точность эксперимента.

Перспективы исследования

Проект CASH открывает новую страницу в охоте за темной материей. В случае успеха он не только подтвердит существование аксионов, но и даст человечеству первый прямой взгляд на природу самой загадочной субстанции во Вселенной. Если же аксионы не будут найдены, полученные ограничения помогут исключить целый класс теоретических моделей и направить дальнейшие поиски в новом направлении.

Комментировать

Расскажите, а что вы думаете об этом?

Отправить