Темная материя в ускорителе частиц
В конце октября в Дези в Гамбурге был установлен первый из 24 сверхпроводящих магнитов для международного исследовательского проекта ALPS II - поиск любых легких частиц. Этот магнит запустит инсталляцию уникального эксперимента по физике частиц для поиска темной материи в секции туннеля ускорителя. ALPS II будет искать частицы, которые буквально освещают свет сквозь стену, предоставляя ключ к одному из самых больших вопросов современной физики: каковы свойства темной материи?
"Это действительно интересно видеть, как проект, над которым многие из нас работали в течение стольких лет, наконец, формируется в туннеле“,-сказал представитель ALPS-II Аксель Линднер. „Если установка и ввод в эксплуатацию идут по плану, мы можем начать измерения в первой половине 2021 года.“ До сих пор наблюдения и расчеты движения звезд в галактиках показывают, что во Вселенной должно быть больше материи, чем мы можем объяснить известными нам сегодня частицами материи. Фактически, темная материя должна была бы составлять 85 процентов всей материи во Вселенной. Однако в настоящее время мы не знаем, каковы составные части темной материи. Но мы знаем, что она практически не взаимодействует с нормальной материей и по существу невидима.
Есть много теорий, которые пытаются объяснить природу темной материи и частиц, из которых она состоит. Некоторые из этих теорий предполагают, что темная материя состоит из очень легких частиц с очень специфическими свойствами. Примером является аксион, который изначально был постулирован для объяснения аспектов сильного взаимодействия, одной из фундаментальных сил природы.
Существуют также удивительные астрофизические наблюдения в эволюции звездных систем, которые очень хорошо объясняются существованием аксионов или аксионоподобных частиц. Здесь начинается эксперимент ALPS II. Он был разработан для производства и обнаружения этих частиц. Сильное магнитное поле может заставить аксионы превращаться в легкие частицы, фотоны и наоборот.
"Эта странная особенность уже использовалась в первом эксперименте ALPS I, который мы проводили с 2007 по 2010 год. Несмотря на свои небольшие размеры, он достиг наилучшей чувствительности в мире для таких экспериментов“, - говорит Бенно Виллке, руководитель группы ALPS и лазерных разработок в Институте гравитационной физики им. Макса Планка и Институте гравитационной физики в Университете Лейбница в Ганновере.
ALPS II будет установлен в прямом туннельном участке бывшего ускорителя физики элементарных частиц Дези Геры. Двадцать четыре сверхпроводящих ускорительных магнита, по двенадцать с каждой стороны стены, содержат два оптических резонатора длиной 120 метров. Мощная и сложная лазерная система генерирует свет, который усиливается резонатором внутри магнитного поля и, как надеются исследователи, в очень незначительной степени преобразуется в частицы темной материи.
Светозащитный барьер обращен к другой половине ALPS II, однако эта стенка не является барьером для аксионов и подобных частиц, которые могут легко проходить через них. Во втором резонаторе частицы темной материи превратятся обратно в свет. Крошечный сигнал обнаруживается специальными системами обнаружения.
Более чем 1000-кратное улучшение чувствительности ALPS II стало возможным благодаря большей длине магнитного пути, а также благодаря значительным достижениям в оптических технологиях. «Эти достижения являются результатом работы над гравитационно-волновыми интерферометрами, такими как GEO600 и LIGO, и показывают, как технологические достижения в одной области позволяют прогрессировать в других», - сказал сопредседатель Гвидо Мюллер из Университета Флориды в Гейнсвилле.
ALPS II также является примером исследовательской утилизации: он не только использует туннельную секцию, в которой когда-то размещался флагманский ускоритель частиц Desy, но и перерабатывает магниты, которые проталкивали протоны через кольцо до 2007 года. Эти магниты должны были быть восстановлены, чтобы соответствовать целям ALPS:
ALPS II мог быть только первым экспериментом в рамках нового стратегического подхода к поиску темной материи. «Международное сотрудничество готовит эксперимент IAXO для поиска аксионов, испускаемых Солнцем, а также детектора MADMAX, который непосредственно ищет аксионы как составляющие окружающей нас темной материи», - сказал Йоахим Мних, директор по физике частиц Дези.
Источник: