Ученые сделали первый шаг к поиску аксионной темной материи, разработав экспериментальную установку, которая обеспечит гораздо большую скорость поиска аксионов по сравнению с любыми другими методами. «Хайтек» рассказывает главное о новом проекте.
Южнокорейская исследовательская группа из Центра исследований аксионов и точной физики в Институте фундаментальных наук (IBS-CAPP) недавно объявила о самой передовой экспериментальной установке для поиска аксионов. Считается, что этот проект «воскресит» физику.
Физика уже мертва?
Слова о том, что физика уже «мертва» и новых открытий там не предвидется, неоднократно повторялись в разные периоды времени. Например, об этом говорил в конце XIX века Уильям Томпсон, также известный как лорд Кельвин (как же он ошиблался, да?). Точно так же некоторые думали, что после открытия нейтронов в 1930-х годах новых частиц уже не найдут. Даже сегодня некоторые опасаются, что современная теоретическая физика зашла в тупик.
Однако это далеко от истины. Нынешний предел знаний в физике, Стандартная модель, способна объяснить только около 5% Вселенной. Остальные 95% состоят из темной материи и темной энергии, о которых мало что известно.
Также Стандартная модель не может объяснить нарушение CP-инвариантности или сильную CP-проблему. Она состоит в том, что в квантовой хромодинамике (КХД) не нарушается CP-симметрия.
Ранее «Хайтек» подробно рассказывал о фундаментальных силах или взаимодействиях Вселенной, которые отвечают за все процессы в ней. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными.
CP-симметрия или CP-инвариантность это, в свою очередь, произведение двух симметрий: C — зарядовое сопряжение, которое превращает частицу в ее античастицу, и P — четность, которая создает зеркальное изображение физической системы.
Так вот сильная СР-проблема возникает из-за того, что сильное взаимодействие, описываемое КХД, похоже, не нарушает СР-симметрию, в то время как электрослабое взаимодействие нарушает СР-инвариантивность (хоть и в небольшой степени). Это противоречит Стандартной модели, которая предсказывает, что CP-симметрия должна нарушаться сильным взаимодействием на уровне, намного превышающем наблюдаемый.
Есть ли решение?
Одно из предложенных решений проблемы связано с существованием гипотетических частиц, называемых аксионами. Они могли бы разрешить несоответствие между предсказанным и наблюдаемым уровнями нарушения CP в сильном взаимодействии. Аксион — один из сильнейших кандидатов на темную материю. Открытие аксионной темной материи стало бы знаковым событием в истории человечества.
В настоящее время существует два разных предложения «за пределами Стандартной модели», объясняющих сильную СР-проблему — модель Кима — Шифмана — Вайнштейна — Захарова (англ. Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov, KSVZ) и модель Дина — Фишлера — Средницкого — Житницкого (англ. Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky, DFSZ), происходящей из теории Великого объединения.
Существует несколько групп теоретических моделей, описывающих единым образом разные фундаментальные силы. Они известны как теория великого объединения (ТВО). Предполагается, что при чрезвычайно высоких энергиях сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются.
Основное различие между двумя моделями заключается в том, что они предсказывают разные типы взаимодействий между аксионами и другими частицами. В модели KSVZ аксионы, в основном, связаны с тяжелыми кварками, а в модели DFSZ они связаны с кварками и лептонами Стандартной модели через с помощью бозонов Хиггса.
Как ищут аксионы?
Как и темная материя, аксионы очень слабо (или мало) взаимодействуют с обычной материей, поэтому их поиск — непростая задача. Один из широко используемых подходов включает эксперименты с микроволновым резонаторами. В них используют сильное магнитное поле для преобразования аксионов (если они существуют) в резонансные электромагнитные волны, которые затем обнаруживают с помощью приемника. Затем массу аксиона можно рассчитать по частоте обнаруженной волны. Поскольку масса аксиона неизвестна, физики должны расширить поиск и просканировать огромный диапазон частот.
Проблема усугубляется в случае поиска DFSZ-аксиона. Ое требует гораздо большей чувствительности приборов, чем KSVZ-вариант. В экспериментах по поиску микроволнового резонатора достигнуть более высокой чувствительности можно экспоненциально увеличив время поиска. В итоге, поиск DFSZ-аксиона недоступен почти для всех существующих экспериментальных установок.
В то время как физики в нескольких экспериментах успешно находили сигналы в диапазонах чувствительности KSVZ-аксионов, в случае с DFSZ-вариантами, не все так успешно. До сих пор единственным экспериментом, который достиг требуемой чувствительности, был Axion Dark Matter eXperiment (ADMX), проведенный одноименной коллаборацией. Теперь IBS-CAPP станет второй группой в мире, которая найдет аксион с чувствительностью, которая требует DFSZ-модель.
Как прошел новый эксперимент?
В первом эксперименте ученые IBS-CAPP использовали магнит 12T. Он более мощный, чем магнит 8T ADMX. Для минимизации фонового шума установку эксперимента поддерживали при температуре, близкой к абсолютному нулю (−273,15 °C).
Помимо использования более мощного магнита, в эксперименте IBS-CAPP использовались квантовые технологии и более эффективный вычислительный подход для обработки данных. Это позволило IBS-CAPP искать аксионы DFSZ в 3,5 раза быстрее, чем при в ADMX.
В последней публикации ученые проекта IBS-CAPP подробно описали их новую установку для поиска DFSZ-аксионов. В результате эксперимента физики смогли исключить темную материю аксиона около 4,55 мкэВ при чувствительности модели DFSZ. Выводы ученых опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Открытие аксиона позволит нам понять до 32% массы-энергии Вселенной, по сравнению с 5%, предлагаемыми текущей Стандартной моделью, — объясняет научный сотрудник К.О. Бён Рок из IBS-CAPP. — Мы планируем воспользоваться невероятно высокой скоростью экспериментальной установки для быстрого поиска аксионов DFSZ в широком диапазоне частот от 1 до 2 ГГц».
Что в итоге?
Есть надежда, что открытие аксиона поддержит теорию великого объединения. Считается, что три из четырех фундаментальных сил были едины и неразличимы в самый ранний момент после Большого взрыва. Этих условий тяжело добиться в Большом адронном коллайдере даже сегодня. Тогда открытие аксиона может помочь. Также ученые рассчитывают, что ТВО послужит ступенькой к желанной теории всего. Эта гипотетическая объединенная физико-математическая теория описывает все известные фундаментальные взаимодействия. Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщенных теорий. Но в будущем это изменится.
По информации https://hightech.fm/2023/03/05/dfsz
Обозрение "Terra & Comp".
