Аксион — гипотетическая нейтральная частица, которую уже много лет пытаются открыть физики, исследующие темную материю. Новое экспериментальное устройство, разработанное командой молодых ученых Гамбургского университета, может способствовать прогрессу в этой области.
Прогресс молодых исследователей
В эру точной космологии исследования часто означают большую науку: большие обсерватории, сверхсложные инструменты, международные коллаборации и значительное финансирование. Однако даже в такой передовой области прогресс все еще возможен — в частности, в поиске неуловимой темной материи — из-за более гибких подходов, осуществляемых небольшими командами и молодыми исследователями, поддерживаемых институтами и хорошей порцией изобретательности.
В статье под названием «Новый предел для аксионной темной материи с помощью SPACE», опубликованной в Журнале космологии и физики космических частиц, группа студентов Гамбургского университета создала камерный детектор для поиска аксионов — одних из самых перспективных кандидатов на роль темной материи — и установила новые экспериментальные ограничения на их свойства.
Результат был достигнут при относительно ограниченных ресурсах, что показывает, что даже небольшие эксперименты могут внести значительный вклад в решение одной из наиболее открытых проблем современной физики.
Устройство для поиска темной материи
Ученые считают, что преимуществом работы с темной материей или аксионами является то, что ее присутствие ожидается везде в нашей Галактике, то есть темная материя может быть буквально рядом.
Исследователи сначала построили экспериментальную установку, начиная с резонансной камеры, изготовленной из высокопроводящих материалов, а также необходимой электроники, кабелей, опор и измерительных приборов. «Детектор, который мы создали, является, по сути, самой простой версией камерного детектора для темной материи», — сказал Набиль Салама, один из авторов исследования.
Команда не начинала с нуля: помимо финансирования, она опиралась на имеющуюся инфраструктуру и оборудование, предоставленные университетом и партнерскими исследовательскими группами. Эксперимент был протестирован, откалиброван и запущен для сбора данных для анализа.
«Мы разбивали очень сложные эксперименты на их основные компоненты, — сказал Салама. — В результате получилось менее чувствительное устройство, ограниченное небольшим диапазоном поиска, но по-прежнему способное генерировать новые научные данные».
Сигнал не найден, установлены новые ограничения
«Поиск аксионов включает в себя исследование широкого спектра возможных параметров, — добавил Агит Акгюмюс, первый автор статьи. — Наш эксперимент охватывает лишь небольшую область с ограниченной чувствительностью, но это все равно помогает сузить круг возможностей. Чтобы действительно найти долю, нам нужны либо значительно более масштабные эксперименты, либо множество различных экспериментов, каждый из которых исследует определенную область».
На заключительном этапе сбора данных команда не зафиксировала ни одного сигнала, который можно было бы отнести к аксионам. Это не неудача, а важный научный результат: он позволяет исследователям исключить наличие аксионов с определенными свойствами в пределах исследуемого диапазона масс, особенно тех, которые обладают более сильным взаимодействием с фотонами. Таким образом, исследование помогает сузить пространство параметров и направить дальнейшие поиски.
Ученые показали, что можно уменьшить установки для поиска темной материи до гораздо меньших масштабов — даже до проектов, разрабатываемых почти независимо студентами — при этом все еще получая реальные научные данные.
Эксперименты становятся доступнее
Как вспоминает Салама, во время рецензирования статьи один из комментариев рецензента был особенно показателен. Он отметил, что как только аксион будет открыт и будут определены его свойства — прежде всего масса — подобные эксперименты могут стать гораздо более доступными и даже пригодными для учебных лабораторий.
«Нам сказали, что установки, подобные нашей, однажды могут стать обычными экспериментами в студенческих лабораториях, — отметил Салама. — В некотором смысле мы могли предвидеть это будущее, показав, что уже сейчас можно построить и управлять таким экспериментом в небольшом масштабе».
По материалам phys.org
