По прогнозам, около 80% материи во Вселенной представляет собой так называемую «темную материю», которая не излучает, не отражает и не поглощает свет и, следовательно, не может быть непосредственно обнаружена с помощью обычных экспериментальных методов.

Хотя существование темной материи сейчас хорошо задокументировано, астрофизики всего мира все еще пытаются разработать эффективные методы ее обнаружения и подтверждения ее состава.

Эксперимент с широкополосным отражателем для обнаружения аксионов (BREAD), недавно созданный исследовательский проект, проводимый физиками Чикагского университета и Лабораторией ускорителей Ферми, представил новый подход к поиску легких кандидатов на темную материю , включая темные фотоны и аксионы.

Метод, предложенный коллаборацией BREAD и изложенный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предполагает использование коаксиальной тарельчатой ​​антенны для улавливания сигналов, которые будут связаны с этими частицами.

«Мы знаем, что вокруг нас существует форма материи, которая очень слабо взаимодействует и не излучает, но мы не знаем, из чего она сделана», — рассказал Стефан Книрк, автор-корреспондент BREAD Collaboration.

«За последние несколько десятилетий было предпринято много усилий по поиску новых фундаментальных частиц с массой, близкой к массе протона, но без особого успеха. Поэтому мы обращаемся к другим очень мотивированным кандидатам: темному фотону и аксиону. »

Предполагается, что темные фотоны и аксионы примерно в 1 триллион раз легче протонов, поэтому для их обнаружения потребуются совсем другие технологии. Хотя сотрудничество BREAD все еще находится в зачаточном состоянии, оно представило одну новую технологию, предназначенную для поиска этих более легких частиц. Целью недавнего исследования Книрка и его коллег было начать тестирование этой технологии в первоначальном мелкомасштабном эксперименте.

«Идея нашей работы заключается в том, что если аксионная (или, в данном случае, темный фотон) темная материя существует, она может превращаться в частицы света (фотоны) на металлической стене», — объяснил Книрк. «Фотоны испускаются перпендикулярно стене.

«В BREAD внешний цилиндр соответствует этой стене. Весь этот свет затем фокусируется в небольшом пятне, куда можно поставить светоприемник или антенну для поиска сигнала. В BREAD комбинация внутреннего каплевидного отражателя и внешний цилиндр позаботится о фокусировке».

Чтобы сделать установку чувствительной к аксионной темной материи, в будущей версии эксперимента коллаборация BREAD могла бы также добавить магнитное поле , параллельное металлической стенке. Уникальной характеристикой нового детектора является то, что он может помещаться в очень большие (м-масштаба) сильнопольные (мульти-Тесла) соленоидные магниты.

«В этом первом эксперименте мы сосредоточились на обнаружении «света» в микроволновом режиме, подобном микроволнам, которые используются, когда вы разогреваете еду дома», — сказал Книрк. «С этой целью мы разработали специальную микроволновую антенну в фокальной точке и очень чувствительную схему, чтобы увидеть минимальную мощность, принимаемую антенной. Это позволило использовать ведущие разработки в области квантовой электроники, ведущиеся в Фермилабе».

Коллаборация BREAD собрала свой первый раунд данных прошлым летом, а именно в период с июня по июль 2023 года. Собранные ими данные включают тепловой шум, улавливаемый антенной в этот период, а также некоторый дополнительный шум от усиления.

«В этом шуме сигнал будет иметь крошечный избыток, который мы и искали в нашем анализе», — сказал Книрк. «Это похоже на поворот ручки частоты на радио: если на заданной частоте нет станции, вы слышите шум, но когда вы медленно настраиваете ее на станцию, вы можете услышать, как сигнал станции начинает доминировать над шумом.»

В недавней статье, опубликованной Книрком и его сотрудниками, изложены результаты их первого поиска темных фотонов с использованием этого нового детектора. Хотя они не уловили какого-либо соответствующего сигнала, их эксперимент оказался примерно в 10 000 раз более чувствительным к мощности сигнала темных фотонов с массой от 44 до 52 мкэВ (10,7–12,5 ГГц), чем предложенные ранее методы.

«Наша работа демонстрирует потенциал этой концепции и дает нам возможность расширить ее масштабы и сделать ее гораздо более чувствительной в будущем», — сказал Книрк. «Это мотивирует продолжать разработку этой технологии с гораздо большей чувствительностью в гораздо более широких диапазонах различных масс темной материи».

Коллаборация BREAD надеется, что их недавно разработанный подход позволит им
исследовать наиболее обоснованные модели аксионов и потенциально приведет к их обнаружению, что станет огромным прорывом в астрофизике элементарных частиц.

В настоящее время исследователи проводят эксперимент с магнитом 4Т в Аргоннской национальной лаборатории, чтобы раскрыть его чувствительность к аксионоподобной темной материи.

«Мы также создаем больше прототипов, сочетающих эту концепцию с различными передовыми квантовыми технологиями, которые будут чувствительны к отдельным частицам света в фокусе», — добавил Книрк. «В Фермилабе мы вскоре ожидаем получить еще более мощный магнит, который сделает наши эксперименты гораздо более чувствительными.

«Долгосрочная цель — крупномасштабная экспериментальная программа с установкой масштаба около 10 метров внутри огромного магнита, позволяющая исследовать наиболее мотивированные модели».