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.