Исследователи из Массачусетского технологического института недавно опубликовали первые результаты эксперимента, направленного на поиск аксионной темной материи путем исследования индуцированного аксионом двупреломления электромагнитных волн. Хотя эти результаты, опубликованные в Physical Review Letters , не привели к наблюдению сигналов, связанных с этими гипотетическими частицами темной материи, они создали новую технику поиска аксионов с использованием настраиваемого оптического резонатора.

«Этот эксперимент был предложен в 2019 году в результате сотрудничества нашей лаборатории с коллегами из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института, когда мы размышляли о новых способах поиска гипотетической частицы темной материи , называемой аксионом », — рассказал Phys.org Эван Холл, научный сотрудник лаборатории LIGO Массачусетского технологического института.

«Ожидается, что любое наблюдаемое взаимодействие между аксионами и стандартной материей будет очень слабым. Мы поняли, что проблема поиска слабого сигнала очень похожа на проблему обнаружения гравитационных волн, которые являются еще одним видом очень слабого сигнала, обнаруженного лишь недавно».

После различных теоретических обсуждений и соображений Холл и его коллеги поняли, что лазеры и оптические инструменты, которые в настоящее время используются в эксперименте LIGO для обнаружения гравитационных волн, можно перепрофилировать для проведения поиска аксионов. Это дало начало эксперименту Axion Dark-Matter Bifringent Cavity (ADBC), который впервые начал собирать данные в 2022 году.

«Мы хотели экспериментально продемонстрировать, как использовать эти инструменты для поиска аксионов», — объяснил Холл. «Свет имеет две поляризации — горизонтальную и вертикальную. Аксионы, если они существуют, должны преобразовывать одну поляризацию в другую. В нашей лаборатории мы используем лазер для генерации вертикально поляризованного света и ищем любые намеки на то, что аксионы преобразовали часть этого света в горизонтальную поляризацию».

Детектор, на котором основан эксперимент ADBC, состоит из 4 зеркал, расположенных так, чтобы сформировать оптическую полость (т. е. структуру, которая улавливает свет). Эта оптическая полость хранит и рециркулирует световые лучи, исходящие от лазера, тысячи раз, что усиливает слабые аксионные сигналы.

На первых этапах эксперимента Холл и его коллеги использовали детектор для поиска аксионов с массой около 50 нэВ (около 10–40 граммов ). Примечательно, что другая исследовательская группа из Великобритании недавно искала аксионы с массой около 2 нэВ, используя аппарат, похожий на тот, что используется в Массачусетском технологическом институте.

«Наша работа показала, что этот новый тип полости можно настроить так, чтобы расширить диапазон возможных масс аксионов, которые можно исследовать», — сказала Свадха Панди, аспирант четвертого года обучения в Массачусетском технологическом институте.

«В частности, мы показали, что полость можно настраивать, регулируя углы ее четырех зеркал. Настраиваемость является важным критерием для того, чтобы сделать аппарат полезным для поиска темной материи. Поскольку никто не знает, какой может быть масса аксиона, нам нужно проводить поиск в широком диапазоне возможных масс».

Первые результаты эксперимента ADBC ​​накладывают ограничения на связь аксионоподобных частиц и фотонов. Хотя они пока не обнаружили аксионы, они могли бы вдохновить на дополнительные исследовательские усилия, направленные на обнаружение этих гипотетических частиц темной материи с использованием оптических полостей, потенциально способствуя их экспериментальному открытию.

«Показав, что этот метод может работать в широком диапазоне масс аксионов, следующим шагом станет построение более масштабного и чувствительного эксперимента», — добавил Панди.

«В таком эксперименте будет использоваться больше лазерного света, чтобы больше фотонов взаимодействовало с аксионами, и эксперимент будет масштабнее, чтобы увеличить время, в течение которого фотоны могут взаимодействовать с аксионами. Автоматизация механизма настройки и продуманные конструкции зеркальных покрытий также имеют важное значение для сканирования по всему доступному диапазону масс аксионов».