Познакомьтесь с загадочной частицей, которая является темной лошадкой в темной материи

Поиск неуловимых аксионов достигает критической массы.

Отредактировано 2023-25-06
Эксперимент ADMX используемый для поиска аксионовЭксперимент ADMX, используемый для поиска аксионов, извлекается для технического обслуживания.

Крошечная частица, действующая как волна, все больше завоевывает позиции в качестве объяснения темной материи, говорится в паре научных обзоров, опубликованных на этой неделе.

Теоретические частицы, называемые аксионами, могут стать лучшим шансом ученых объяснить темную материю - неуловимый материал, составляющий 85% всей материи во Вселенной, который почти не взаимодействует с нашей "обычной" материей. Два новых обзора показывают, как за последние годы эта частица превратилась из беглеца в объект внимания. Теории вокруг темной материи развивались, чтобы сделать эти частицы более убедительными, говорится в докладах. В них также рассматривается вопрос о том, как ученые могут обнаружить аксионы. Оба доклада были опубликованы на этой неделе в журнале Science Advances.

Если аксионы являются темной материей, то "через вас прямо сейчас проходят аксионы", но вы этого не замечаете, потому что они почти не взаимодействуют, говорит Франческа Чада-Дэй, физик из Даремского университета в Великобритании и автор обзора теории. Она также работает над TOORAD, совместным детектором аксионов.

По ее словам, когда она начала работать над аксионами десять лет назад, они были скорее периферийным кандидатом на роль темной материи. С тех пор они стали более заметными, во многом благодаря тому, что, по ее словам, "Большой адронный коллайдер или любой из детекторов темной материи не смогли найти предпочтительное объяснение темной материи в течение десятилетий, так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPS)".

И те, и другие являются трудноуловимыми теоретическими субатомными частицами. Так в чем же разница между аксионами и WIMPS?

WIMPS немного более существенны - это большие, тяжелые нейтральные частицы, которые подобны центру тяжелого атома, говорит Грей Рыбка, физик и представитель Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) в Университете Вашингтона, который не принимал участия ни в одном из обзоров.

Аксионы, напротив, менее массивны, даже легче самой легкой из известных частиц, называемой нейтрино. Будучи такими легкими, они ведут себя странно.

"Самое интересное в аксионах то, что аксионная темная материя ведет себя скорее как некое поле, охватывающее всю Вселенную", а не как отдельные частицы, движущиеся вокруг, говорит Чадха-Дэй.

Каждый объект обладает так называемым дуализмом волна-частица - это означает, что вещи ведут себя в какой-то степени как волны, а в какой-то степени как частицы. Например, что-то крошечное, вроде электрона, может действовать как частица - проноситься в пространстве и сталкиваться с другими частицами, как бильярдные шары. Но он также может действовать как волна - объединяться с другими волнами и не существовать определенно в одном месте в одно время. Но чем тяжелее объект, тем менее выражен этот эффект - тем больше он действует как частица. Как часть этой волновой природы, аксионы должны слабо взаимодействовать со светом и в окружении магнитного поля. Если они существуют, аксионы могут превращаться в фотоны, которые являются частицами света, а фотоны - обратно в аксионы.

Обзор теории - это "хорошее резюме того, куда движется мысль", - говорит Рыбка. WIMPS и аксионы были предложены несколько десятилетий назад в качестве объяснения темной материи примерно в то же время, говорит Рыбка. Они не являются единственными кандидатами на объяснение темной материи, но они наиболее заметны.

"В то время сообщество в основном отдавало предпочтение WIMPS", потому что их было легче искать с помощью существующих технологий, говорит Рыбка. После того, как мы искали WIMPS в течение трех десятилетий и ничего не нашли, "есть люди, которые устали от этой идеи".

Теория струн предсказывает, что аксионы должны существовать, как решение загадки баланса материи и антиматерии во Вселенной.

Отчасти причина растущего интереса к аксионам заключается в том, что у исследователей теперь есть технология для их поиска. Произошел "расцвет идей о том, как можно построить эксперимент по поиску [аксионов]", - говорит Рыбка. За последние несколько лет ученые перешли от разработки экспериментов по обнаружению частиц к "поискам, в которых, как мы думаем, у нас есть хорошие шансы на открытие".

До сих пор эксперименты, подобные ADMX, пытались обнаружить аксионы путем создания камеры с сильным магнитным полем и определенного размера, чтобы она резонировала с определенной массой аксиона. Это похоже на то, как гудят два разных по размеру инструмента - скрипка и виолончель - когда они улавливают различные окружающие звуки более высокого или низкого тона. Этот резонанс заставит больше аксионов превращаться в фотоны в полости, говорит Чада-Дэй, и чрезвычайно чувствительные детекторы смогут их уловить.

ADMX чувствителен к аксионам только в узком диапазоне возможных масс. Однако экспериментаторы придумали умные способы создания детекторов, которые могли бы улавливать более широкий диапазон масс аксионов, говорит Чада-Дэй. Это важно, потому что "нет причин, по которым Вселенная была бы добра к нам" и сделала бы аксионы массой, которую легко искать, говорит она.

Потенциально астрономы могут наблюдать аксионы из космоса, обратив внимание на два ключевых места, где находятся магнитные поля: скопления галактик и нейтронные звезды. Аксионы могли бы изменить спектр света, исходящего от материи, падающей в черные дыры в сердцах галактик. Они также заставят нейтронные звезды излучать больше света, чем ожидается, в радиочастотном диапазоне.

Если эти текущие и предстоящие эксперименты не обнаружат аксионы в тех местах, где ожидают ученые, теоретикам придется вернуться к чертежной доске. Но если аксионы будут обнаружены, говорит Рыбка, наконец-то "мы узнаем, что такое темная материя".

Поправка от 28 февраля 2022 года: В предыдущей версии этой статьи было указано, что Чадха-Дэй возглавила обзор теории аксионов. Она является первым автором, но не ведущим.