Российские физики предложили искать темную материю посреди квантового шума

Описание проекта опубликовано в журнале Physical Review D. Вселенная, которую мы наблюдаем, — это лишь вершина айсберга. Обычная материя, из которой состоят звезды, планеты и мы с вами, составляет менее пятой части всей материи. Остальное — это таинственная темная материя, о существовании которой мы знаем лишь по ее гравитационному воздействию на галактики и их скопления. Одной из самых элегантных теорий, объясняющих природу этой субстанции, является теория аксиона.

Изначально эта частица была предложена почти полвека назад для решения одной из тонких проблем в физике сильных взаимодействий, но позже выяснилось, что она обладает всеми необходимыми свойствами, чтобы быть идеальным кандидатом на роль темной материи: аксионы очень легкие, почти не взаимодействуют с обычным веществом и могли быть рождены в огромных количествах в ранней Вселенной. Если наша галактика погружена в гигантское «облако» или гало из этих частиц, то их можно попытаться обнаружить. Основная идея так называемых галоскопов заключается в том, что в присутствии сильного магнитного поля аксион может с очень низкой вероятностью превратиться в фотон — частицу света. Задача экспериментаторов — поймать этот чрезвычайно слабый сигнал.

Для этого физики создают специальные устройства — резонаторные полости, помещенные в мощное магнитное поле. Если частота резонатора совпадет с частотой, соответствующей массе аксиона, произойдет резонансное усиление сигнала. Это похоже на то, как если бы мы пытались услышать едва различимый шепот в шумной комнате. Резонатор работает как слуховой аппарат, настроенный на определенную частоту: он усиливает нужный звук и отсекает все остальные. Проблема в том, что массу аксиона, а значит и нужную частоту, никто не знает. Поэтому ученым приходится медленно «сканировать» диапазон возможных частот, перестраивая резонатор. Главным препятствием на этом пути является шум. Даже при охлаждении до сверхнизких температур в установке всегда присутствует тепловой шум, а детекторы, регистрирующие фотоны, сами вносят квантовый шум. Этот фундаментальный предел, известный как стандартный квантовый предел (SQL), долгое время считался непреодолимым барьером для увеличения чувствительности в радиодиапазоне частот..

Рисунок 1. Принципиальная схема однофотонного детектора на основе джозефсоновского перехода — ключевой технологии эксперимента CASH. В рабочем состоянии (синяя линия) детектор находится в сверхпроводящем режиме. Поглощение одного-единственного фотона, рожденного из аксиона темной материи, вызывает скачкообразный переход в резистивное состояние с ненулевым напряжением (красная пунктирная линия), что позволяет надежно зарегистрировать событие /
Physical Review D

Именно эту проблему и призван решить проект CASH. Команда российских физиков предлагает использовать принципиально новый тип детектора, который работает не как усилитель, а как счетчик одиночных фотонов. В основе этого детектора лежит джозефсоновский переход — сверхпроводящее устройство, которое при поглощении даже одного микроволнового фотона резко меняет свое состояние, переходя из сверхпроводящего в резистивное. Это переключение легко зарегистрировать.

Такой подход позволяет полностью избавиться от шума, вносимого усилителем, и напрямую считать фотоны, рожденные из аксионов. Чувствительность системы в таком случае ограничивается только «темновыми срабатываниями» детектора — ложными сигналами, вызванными, например, квантовым туннелированием или внешними помехами. Разработанные в России детекторы уже сегодня демонстрируют рекордно низкий уровень темновых срабатываний — не более одного ложного сигнала за 100 секунд, что на порядки лучше, чем у традиционных систем.

Рисунок 2. Прогнозируемая чувствительность эксперимента CASH на фоне мировых аналогов. Вертикальная ось показывает силу взаимодействия аксиона с фотонами, горизонтальная — массу аксиона. Серая область — уже исключенные другими экспериментами параметры. Горизонтальные линии (KSVZ, DFSZ) — теоретически предсказанные значения. Зеленые и синие вертикальные полосы — области, которые сможет исследовать CASH. Проект позволит с беспрецедентной точностью проверить существование аксионов в ранее недоступном диапазоне масс / © Physical Review D

Дмитрий Горбунов, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ, прокомментировал: «Мы предлагаем не просто улучшить существующие методы, а совершить качественный скачок. Традиционные галоскопы пытаются усилить слабый сигнал, неизбежно усиливая вместе с ним и шум. Мы же идем другим путем: мы не усиливаем, а считаем. Наш детектор настолько чувствителен, что может зарегистрировать рождение одного-единственного фотона из аксиона. Это позволяет нам работать на уровне чувствительности, который ранее считался недостижимым, и заглянуть далеко за стандартный квантовый предел».

Проект CASH будет реализован в два этапа. На первом этапе, CASH-I, будет использована не перестраиваемая медная полость и магнит с полем 1.7 Тесла. Даже в этой конфигурации, работая на фиксированной частоте, эксперимент всего за 12 дней наблюдений сможет достичь чувствительности, превосходящей все существующие аналоги в данной области масс. Второй этап, CASH-II, предполагает использование более мощного магнита (до 10 Тесла) и внедрение системы перестройки частоты резонатора. Это позволит в течение года просканировать ранее недоступный диапазон масс аксионов от 38 до 54 микроэлектронвольт с чувствительностью, достаточной для проверки самых пессимистичных теоретических моделей. Как наглядно демонстрируют графики из статьи, проект CASH сможет исследовать «белые пятна» на карте параметров аксиона, которые остаются вне досягаемости для других ведущих мировых экспериментов.

Уникальность российского проекта заключается не только в использовании однофотонных детекторов, но и в комплексном подходе к подавлению шумов. Установка будет охлаждаться до сверхнизких температур в 10-20 милликельвин в рефрижераторе растворения, что практически полностью исключает тепловые фотоны. Кроме того, разрабатывается сложная система защиты от вибраций и электромагнитных помех. Этот эксперимент открывает новую страницу в охоте за темной материей. В случае успеха он не только подтвердит существование аксионов, но и даст человечеству первый прямой взгляд на природу самой загадочной субстанции во Вселенной. Если же аксионы не будут найдены, полученные ограничения позволят исключить целый класс теоретических моделей и направить дальнейшие поиски в другом направлении. В любом случае, проект CASH обещает стать одним из самых чувствительных инструментов для исследования фундаментальных законов физики.