Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя - Владимир Анатольевич Моисеев
Группа физиков под руководством Масаки Мори (Masaki Mori) предложила использовать невообразимую чувствительность гравитационных детекторов для поиска частиц темной материи. В основе нового метода лежит следующая идея. Поскольку Земля движется относительно центра галактики со скоростью около 200 километров в секунду, а гало темной материи в первом приближении неподвижно, нашу планету постоянно продувает ветер из темных частиц. Если сечение взаимодействия этих частиц с частицами обычной материи конечно, то они могут сталкиваться с атомами зеркала, передавать зеркалу импульс и искажать интерференционную картину гравитационного детектора. Следовательно, из сигнала можно выделить ограничения на частоту таких столкновений, сечение и массу темных частиц.
Учитывая состав и геометрические параметры зеркал, установленных в разных интерферометрах (LIGO, Virgo, строящегося детектора KAGRA и гипотетического телескопа Эйнштейна), ученые оценили форму сигнала, который возникает после столкновения темной частицы и зеркала. Сигнал выглядел как резкий пик, расположенный на соответствующей резонансной частоте.
Чтобы проверить это предположение, ученые теоретически рассмотрели столкновение темной частицы и цилиндрического зеркала. Вообще говоря, такое столкновение может возбудить два принципиально разных типа колебаний. Во-первых, частица подталкивает зеркало и заставляет его качаться (чтобы снизить воздействие вибраций, зеркала гравитационного интерферометра подвешивают на тонких стеклянных нитях). Во-вторых, она заставляет его дрожать, словно желе. Учитывая состав и геометрические параметры зеркал, установленных на интерферометрах LIGO и Virgo, строящегося детектора KAGRA и гипотетического ученые оценили форму сигнала, возникающего после столкновения темной частицы и зеркала. Для обоих типов колебаний сигнал выглядел как довольно резкий пик на соответствующей резонансной частоте.
Хотя пока ни один детектор темной материи не поймал гипотетические частицы, физики продолжают улучшать существующие экспериментальные установки и разрабатывать новые. Впрочем, фокус этих разработок постепенно смещается в сторону легких частиц темной материи, для которых существующие ограничения пока недостаточно жестки.
nplus1.ru, 11 сентября 2019, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2019/09/11/WIMPs
Препринт доступен на сайте arXiv.org.
Масаки Мори (Masaki Mori)
https://arxiv.org/abs/1909.00654
Глава 11-14-11
Аксионы предложили поискать экспериментом с лазерными пучками
Май 2020
Физики разработали новый метод поиска гипотетических частиц темной материи в лаборатории. Они предлагают получать аксионы в столкновении двух интенсивных лазерных пучков — чувствительность такого опыта сравнима с астрофизическими экспериментами, в то время как его результаты в меньшей степени зависят от используемой модели. Статья опубликована в журнале Physical Review D.
Ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя — ни одну из гипотетических частиц, существование которых предсказывает теория, зарегистрировать на детекторах пока не удалось. Эксперименты в этой области имеют сегодня большую значимость — несмотря на результаты, они позволяют получить ограничения на неизвестные характеристики частиц темной материи, скорректировать теорию и сузить область последующих поисков.
Британские физики под руководством Константина Бейера (Konstantin A. Beyer) из Оксфордского университета предложили свой подход для поиска аксионов — так называется вид гипотетических частиц, который вводится в одной из наиболее известных теоретических моделей для решения проблемы в квантовой хромодинамике. Исследователи рассмотрели возникновение аксионов при столкновении двух лазерных пучков (которые состоят из фотонов) высокой интенсивности. Рождающиеся таким образом частицы в предлагаемом сценарии проходят через препятствие (стенку) и под действием магнитного поля снова превращаются в фотоны, которые попадают в детектор. Поскольку на пути лучей лазеров находится препятствие, обнаружение фотона по другую сторону стенки в отсутствие шума означает регистрацию аксиона. На практике же схема опыта позволяет проверять надежность таких событий: для этого достаточно испускать излучение короткими импульсами и синхронизировать их с работой детектора.
Авторы установили, что по качеству предложенный эксперимент может соревноваться с другими опытами по поиску темной материи. В частности, при достаточно долгой выдержке (примерно одни сутки на один угловой шаг) его чувствительность сопоставима с солнечным телескопом лаборатории CERN и достигает характеристик аксионов, которые предсказывает квантовая хромодинамика. Вместе с тем опыт опирается на меньшее количество теоретических допущений — это делает методику более надежной в сравнении с альтернативными подходами.
Качество эксперимента можно повысить благодаря развивающимся технологиям по созданию лазерных установок: с ростом количества фотонов в пучке одновременно увеличивается вероятность рождения аксионов. Кроме того, для усиления наблюдаемых эффектов можно использовать неоднородное магнитное поле и регулировать показатель преломления среды, в которой происходит превращение гипотетической частицы в регистрируемую. Последние факторы не учитывались в исследовании, поэтому вычисленные оценки чувствительности являются лишь нижними ограничениями — на практике, по мнению ученых, результаты могут оказаться значительно лучше.
nplus1.ru, 27 май 2020, Николай Мартыненко
https://nplus1.ru/news/2020/05/27/axion-detection
Журнал Physical Review D. 2020
Константин Бейера (Konstantin A. Beyer) из Оксфордского университета
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.095018
Глава 11-14-12
Эксперимент DALI: в поисках аксиона, предполагаемой частицы темной материи
Май 2021
Канарский астрофизический институт (Instituto de Astrofísicade Canarias, IAC) войдет в состав международной коллаборации, разрабатывающей эксперимент DALI (Dark-photons & Axion-Like particles Interferometer), телескоп для поисков темной материи, научная цель которого будет состоять в поисках аксионов и парафотонов в диапазоне от 6 до 60 гигагерц. Концептуальный прототип находится в настоящее время на этапе разработки и производства в институте IAC. Исследование опубликовано в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Рис. Темная материя
Предсказанный теорией в 1970-е гг., аксион представляет собой гипотетическую частицу небольшой массы, которая слабо взаимодействует с обычными частицами, такими как нуклоны и электроны, а также фотоны. Для обнаружения аксионов используются все эти возможные взаимодействия, попытки регистрации которых проводятся при помощи различных научных инструментов. Один из перспективных методов состоит в изучении взаимодействия между аксионами и обычными фотонами.
В первых детекторах аксионов, построенных в 80-е и 90-е гг. прошлого столетия, была использована полость для резонанса, усиливающая внутри сверхпроводящего магнита слабый микроволновой сигнал, который ожидалось наблюдать со стороны аксиона, до достижения мощности, соответствующей нижнему пределу обнаружения современных научных инструментов. К сожалению, размер этой полости обратно пропорционален частоте, на которой производится сканирование, и для аксиона размер этой полости оказывался слишком мал при работе на частотах свыше 6 гигагерц.
Поэтому в этом новом эксперименте были собраны воедино наиболее перспективные методы сканирования на высоких частотах и воплощены в практичной конструкции, к которой также были добавлены возможности детектора
