В Германии построили установку из 24 магнитов для поиска частиц тёмной материи
Физики международного эксперимента ALPS II, работающего в немецком исследовательском центре DESY, представили первые результаты поиска аксионов — гипотетических элементарных частиц, которые могут составлять часть тёмной материи. Установка с 24 сверхпроводящими магнитами оказалась более чем в 20 раз чувствительнее предыдущих лабораторных систем аналогичного типа. Обнаружить новые частицы пока не удалось, однако исследователи существенно сузили диапазон их возможных физических свойств.
В основе эксперимента лежит необычный метод, получивший название «свет сквозь стену». Лазерный луч проходит через сильное магнитное поле, создаваемое первой группой из 12 магнитов. Если аксионы существуют, некоторые фотоны могут превращаться в эти частицы, способные беспрепятственно проникать через непрозрачную перегородку. За ней расположены ещё 12 магнитов, где аксионы теоретически могут вновь превращаться в фотоны. Появление света за перегородкой стало бы свидетельством существования ранее неизвестных частиц.
Главная сложность заключается в чрезвычайно малой вероятности такого превращения. Для регистрации слабого сигнала учёные используют высокоточные зеркала, оптический резонатор и специальную лазерную систему. Она позволяет обнаруживать излучение, интенсивность которого значительно ниже возможностей обычных световых датчиков. Вся экспериментальная установка размещена в тоннеле бывшего ускорителя HERA в Гамбурге.
Первая серия научных измерений проходила с февраля по май 2024 года. Физики не обнаружили убедительных признаков существования аксионов или других предполагаемых лёгких частиц. В данных присутствовал небольшой дополнительный сигнал, однако дальнейший анализ показал, что его наиболее вероятным источником стал посторонний свет, проникавший в детектор. Его интенсивность соответствовала примерно двум фотонам в час.
Несмотря на отсутствие открытия, исследователи установили новые ограничения на взаимодействие гипотетических частиц с фотонами. Для аксионоподобных частиц с массой менее 0,1 миллиэлектронвольта верхний предел соответствующей константы взаимодействия составил 1,5 × 10⁻⁹ ГэВ⁻¹ при доверительном уровне 95%. Это самый строгий результат среди лабораторных экспериментов, использующих аналогичный метод поиска.
Сейчас специалисты модернизируют ALPS II, устанавливая дополнительный оптический резонатор перед перегородкой. Он должен увеличить вероятность превращения фотонов в аксионоподобные частицы, а усовершенствованная система регистрации позволит уменьшить влияние постороннего света. Ожидается, что после модернизации чувствительность установки к взаимодействию частиц с фотонами повысится ещё примерно в 100 раз.
Аксионы остаются одним из возможных объяснений природы тёмной материи, которая проявляет себя через гравитационное воздействие, но не излучает и не поглощает свет обычным образом. В отличие от астрономических наблюдений, ALPS II позволяет искать такие частицы непосредственно в лаборатории, не опираясь на предположения об их распространённости во Вселенной.
Исследование в журнале Physical Review Letters.