Никаких следов, но прорыв: пятилетний эксперимент HAYSTAC сузил границы поиска аксионов

Никаких следов, но прорыв: пятилетний эксперимент HAYSTAC сузил границы поиска аксионов
13:00, 13 Май.

Коллаборация HAYSTAC, объединяющая учёных из Йельского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Джонса Хопкинса, представила результаты второй фазы эксперимента по поиску аксионов — гипотетических частиц, которые могут составлять тёмную материю.

Несмотря на отсутствие статистически значимых сигналов, исследователям удалось установить новые пределы для взаимодействия аксионов с фотонами и продемонстрировать эффективность квантовых технологий в этой области.

Аксионы, предложенные в 1970-х годах для объяснения загадки отсутствия нарушения CP-симметрии в квантовой хромодинамике, сегодня рассматриваются как ключевые кандидаты на роль тёмной материи. Их слабое взаимодействие с обычной материей делает обнаружение крайне сложным.

В эксперименте HAYSTAC Phase II использовался микроволновый резонатор в магнитном поле 8 Тл, где аксионы должны преобразовываться в фотоны. Для повышения точности учёные применили технологию квантового сжатия — метод, снижающий шумы ниже стандартного квантового предела.

Это позволило увеличить скорость сканирования параметрического пространства на порядок. Фото: HAYSTAC Collaboration В ходе второй фазы эксперимента (2019–2024 гг.

) учёные сосредоточились на аксионах с массой от 16,96 до 19,46 микроэлектронвольт — это в миллиарды раз легче электрона. Главным итогом стало установление новых границ для силы взаимодействия аксионов с фотонами — параметра, обозначаемого как gγgγ.

Если в модели KSVZ (одной из ключевых теорий) эта сила условно принята за единицу, то эксперимент HAYSTAC показал: реальное значение gγgγ, если аксионы существуют, должно быть меньше 2,86 от предсказанного KSVZ.

Проще говоря, гипотетические частицы взаимодействуют со светом ещё слабее, чем предполагали теоретики — это сужает зону поиска. Важным достижением стало внедрение схемы CEASEFIRE, использующей запутанные резонаторы для ускорения поиска.

Кроме того, в эксперименте впервые использовали усовершенствованные холодильные установки, работающие при экстремально низких температурах (около -273°C).

Эти системы охлаждают оборудование до 60 милликельвинов — близко к абсолютному нулю — но при этом требуют меньше энергии и ресурсов по сравнению с традиционными аналогами. Это сократило расходы на поддержание условий, необходимых для точных измерений.

Однако возникли непредвиденные сложности: вибрации тюнингового стержня ухудшали сжатие, а радиочастотные помехи и аномальные «провалы» мощности потребовали дополнительной фильтрации данных. Учёные подчеркнули, что отсутствие сигнала не опровергает теорию аксионов, а сужает зону поиска.

В планах коллаборации — создание эксперимента ALPHA для обнаружения более массивных аксионов, а также внедрение однофотонных детекторов на атомах Ридберга.

Эти разработки, вместе с резонаторами на сверхпроводящих метаматериалах, могут в перспективе перевести поиск тёмной материи на новый уровень.

Рубрика: Наука и Hi-Tech. Читать весь текст на www.ixbt.com.