Группа студентов бакалавриата Гамбургского университета спроектировала и построила резонансный детектор для поиска аксионов — гипотетических сверхлёгких частиц, предсказанных теорией Печчеи–Квин для решения CP-проблемы сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике. Согласно расчётам, аксионы могли рождаться в больших количествах в ранней Вселенной и, обладая слабым взаимодействием с обычным веществом, составлять значительную часть космического гало, что делает их одними из главных кандидатов на роль частиц тёмной материи. Исследование, опубликованное в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, доказывает, что даже небольшие эксперименты с ограниченными ресурсами способны продвигать науку в решении одной из самых сложных проблем физики. Несмотря на скромные масштабы, команда установила новые экспериментальные ограничения на свойства аксионов.
Проект финансировался через студенческий исследовательский грант, предоставленный университетским Hub for Crossdisciplinary Learning. Эта программа поддерживает самостоятельные исследования студентов в составе существующих научных групп. Нибиль Салама, один из авторов работы, отметил, что их команда работала в рамках группы MADMAX (Magnetized Disc and Mirror Axion Experiment) — международной коллаборации, базирующейся в основном в Германии, которая ищет аксионы тёмной материи в диапазоне масс 40–400 микроэлектронвольт с помощью диэлектрических дисков в сильном магнитном поле. Студенты пользовались опытом и поддержкой этой группы.
«Прелесть работы с тёмной материей, или аксионами, в том, что она, по нашим представлениям, присутствует повсюду в нашей галактике, — объяснил первый автор исследования Агит Акгюмюс. — Так что, по сути, где бы вы ни проводили эксперимент, у вас есть тёмная материя и вы можете с ней работать». Команда собрала компактную экспериментальную установку на основе резонансной полости из высокопроводящих материалов, интегрировав необходимую электронику и измерительные приборы.
После тщательной калибровки и сбора данных студенты не зафиксировали сигнала от аксионов, однако полученный результат позволил исключить аксионы с определёнными характеристиками в протестированном диапазоне масс — особенно те, которые сильнее взаимодействуют с фотонами. «Поиск аксионов подразумевает исследование широкого спектра возможных параметров, — добавил Акгюмюс. — Наш эксперимент охватывает лишь маленькую область с ограниченной чувствительностью, но это всё равно сужает пространство поиска». В мире существует несколько масштабных проектов по поиску тёмной материи: LZ и XENONnT ищут тяжёлые WIMP-частицы с помощью жидких ксеноновых детекторов, ADMX использует резонансный полостной метод для поиска аксионов, а космические телескопы, такие как Fermi-LAT, регистрируют сигналы в гамма-диапазоне. Есть и проекты по поиску лёгких частиц, например, CERN Axion Solar Telescope (CAST) ищет аксионы, рождающиеся в Солнце.
Во время рецензирования один из экспертов заметил, что, когда аксионы будут окончательно обнаружены и их свойства станут известны, такие установки могут стать гораздо доступнее — вплоть до использования в студенческих лабораториях. Салама рассказал, что им сказали: их эксперимент однажды может стать стандартным лабораторным занятием для студентов. «В каком-то смысле мы, возможно, предвосхитили это будущее, показав, что уже сейчас можно построить и запустить такой эксперимент в малом масштабе», — добавил он.
Источник: Students build a “cosmic radio” to listen for dark matter