Ведущие физические институты России объединили усилия для реализации амбициозного проекта, направленного на поиск аксионов, которые считаются возможными кандидатами на роль темной материи. Установка, названная «Космологический Аксионный Саровский Галоскоп» (CASH), будет использовать передовые однофотонные детекторы, основанные на джозефсоновских переходах. Это позволить исследовать ранее недоступную область масс и преодолеть квантовый предел чувствительности. Успех этого эксперимента может значительно продвинуть наше понимание темной материи, которая составляет более 80% всей материи во Вселенной, и, возможно, ответить на вопросы о ее природе. Об этом пишет comandir.com
Темная материя на горизонте: российские физики исследуют квантовые флуктуации
В журнале Physical Review D было представлено описание нового амбициозного проекта, целью которого является поиск аксионов — гипотетических частиц, которые могут играть ключевую роль в понимании темной материи. Наша Вселенная, как показывает исследование, состоит лишь на 20% из обычной материи, тогда как остальная ее часть представлена загадочной темной материей, существование которой подтверждается только гравитационным влиянием на галактики и их скопления. Теория аксионов, предложенная почти 50 лет назад, стала одной из самых перспективных для объяснения природы этой таинственной субстанции.
Аксионы: свойства и методы обнаружения
Аксионы — это легкие частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом и могли возникнуть в большом количестве в ранней Вселенной. Если наша галактика действительно окружена «облаком» аксионов, их можно обнаружить с помощью специальных устройств, известных как галоскопы. В условиях сильного магнитного поля аксион может с низкой вероятностью преобразоваться в фотон, что и является целью данного эксперимента.
Технология и процесс эксперимента
Для ловли этих фотонов физики создают резонаторные полости, которые помещаются в сильное магнитное поле. Если частота резонатора совпадает с частотой, соответствующей массе аксиона, происходит резонансное усиление сигнала. Это похоже на то, как слуховой аппарат усиливает определенные звуки в шумной обстановке. Однако сложность заключается в том, что масса аксиона и, соответственно, нужная частота еще не известны, поэтому ученым предстоит «сканировать» диапазон возможных частот, настраивая резонатор. Основной проблемой остаются шумы, включая тепловой шум и квантовый шум, возникающий в детекторах.
Инновации проекта CASH
Проект CASH предлагает решение этой проблемы с использованием нового типа детектора, который действует 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 изменение легко фиксируется, что позволяет избежать шума, который обычно вносит усилитель, и непосредственно учитывать фотоны, возникающие от аксионов. Чувствительность системы ограничивается только «темновыми срабатываниями» детектора, которые могут происходить из-за квантового туннелирования или внешних помех. Разработанные в России детекторы уже демонстрируют рекордно низкий уровень ложных сигналов — не более одного за 100 секунд, что значительно превышает показатели традиционных методов.
Дмитрий Горбунов, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ, представил новый амбициозный проект CASH, который нацелен на исследование аксионов — предполагаемых частиц, играющих ключевую роль в объяснении темной материи. В отличие от привычных методов, команда предлагает инновационный подход к детекции этих elusive частиц.
Инновационный метод детекции
Горбунов акцентирует внимание на том, что проект CASH не просто улучшает существующие технологии, а предлагает качественно иной метод. Традиционные галоскопы усиливают слабый сигнал, что приводит к увеличению фонового шума и затрудняет точные измерения. В отличие от них, детекторы CASH способны фиксировать рождение одиночного фотона аксиона, что открывает новые возможности для работы на уровнях чувствительности, ранее считавшихся недостижимыми.
Проект CASH будет реализован в два этапа, каждый из которых имеет свои уникальные особенности:
Этап CASH-I
На первом этапе будет использоваться 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, что превзойдет все существующие аналоги в данной области масс аксионов.
Этап CASH-II
Второй этап предполагает применение более мощного магнита (до 10 Тесла) и внедрение системы перестройки частоты резонатора. Это позволит в течение года просканировать ранее недоступный диапазон масс аксионов от 38 до 54 микроэлектронвольт с достаточной чувствительностью для проверки даже самых пессимистичных теоретических моделей.
Технологические преимущества
Уникальность проекта CASH заключается не только в использовании однофотонных детекторов, но и в комплексном подходе к подавлению шумов. Установка будет охлаждаться до сверхнизких температур в диапазоне 10-20 милликельвин, что практически исключит влияние тепловых фотонов. Также разрабатывается сложная система защиты от вибраций и электромагнитных помех, что значительно повысит точность эксперимента.
Перспективы исследования темной материи
Проект CASH открывает новые горизонты в исследовании темной материи. В случае успеха он может не только подтвердить существование аксионов, но и предоставить человечеству первый прямой взгляд на природу этой загадочной субстанции. Если аксионы не будут обнаружены, полученные данные помогут исключить ряд теоретических моделей и направить дальнейшие исследования в новые направления.
Таким образом, проект CASH имеет потенциал стать одним из самых чувствительных инструментов для изучения фундаментальных законов физики, что может существенно изменить наше понимание Вселенной и ее загадок.
