Поиск темной материи: новый подход с использованием магнитного крутильного маятника

Автор: Денис Аветисян

Ученые разработали инновальную установку для обнаружения ультралегких частиц темной материи, основанную на высокочувствительном магнитном крутильном маятнике.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Исследование демонстрирует, что оптимизированные конфигурации левитирующего FMTO, особенно при криогенных температурах и с улучшенной виброизоляцией, способны достичь чувствительности, сравнимой или превосходящей существующие лабораторные и астрофизические ограничения в поиске аксионов, взаимодействующих с электронами, при условии одномесячного времени интегрирования и фактора <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\cos^{2}\psi=0.22</span>, что подтверждается текущим пределом, полученным в эксперименте при комнатной температуре <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\cos^{2}\psi=0.061</span>. — Исследование демонстрирует, что оптимизированные конфигурации левитирующего FMTO, особенно при криогенных температурах и с улучшенной виброизоляцией, способны достичь чувствительности, сравнимой или превосходящей существующие лабораторные и астрофизические ограничения в поиске аксионов, взаимодействующих с электронами, при условии одномесячного времени интегрирования и фактора $\cos^{2}\psi=0.22$ , что подтверждается текущим пределом, полученным в эксперименте при комнатной температуре $\cos^{2}\psi=0.061$ .

В статье представлены результаты разработки и первичного анализа данных ферромагнитного крутильного осциллятора для поиска ультралегких аксионов темной материи посредством спин-зависимых взаимодействий.

Поиск темной материи остается одной из фундаментальных задач современной физики, несмотря на отсутствие прямых экспериментальных подтверждений. В работе «Search for Ultralight Axion Dark Matter with a Levitated Ferromagnetic Torsional Oscillator» представлен новый подход к поиску ультралегких аксионов, взаимодействующих со спином электронов, с использованием левитирующего ферромагнитного крутильного осциллятора. Полученные данные не выявили признаков аксион-индуцированного псевдо-магнитного поля в исследованном диапазоне энергий, что позволило установить ограничения на силу связи аксиона с электроном. Сможет ли дальнейшее совершенствование экспериментальной установки, включая криогенное охлаждение и сверхпроводящее экранирование, повысить чувствительность и приблизиться к обнаружению темной материи?

Тёмная Материя и Аксион: Загадки Вселенной

Существование тёмной материи представляет собой одну из самых захватывающих загадок современной физики, требующую пересмотра фундаментальных теоретических основ. Наблюдения за вращением галактик и крупномасштабной структурой Вселенной указывают на то, что видимая материя составляет лишь небольшую часть общей массы. Это несоответствие заставляет ученых искать новые частицы и взаимодействия, выходящие за рамки Стандартной модели. Поиск тёмной материи ведётся различными способами — от прямых поисков её взаимодействия с обычной материей в подземных лабораториях, до косвенных поисков продуктов её аннигиляции или распада, и, наконец, путём создания и изучения её кандидатов в коллайдерах. Решение этой проблемы не только прояснит состав Вселенной, но и, возможно, откроет новые физические законы, определяющие её эволюцию и структуру.

В квантовой хромодинамике, теории, описывающей сильные взаимодействия, существует загадочная проблема, известная как «проблема сильной CP-инвариантности». Она заключается в том, что теория допускает возможность нарушения CP-инвариантности, что привело бы к нефизичным предсказаниям. Удивительно, но элегантное решение этой проблемы было предложено в виде гипотетической частицы — аксиона. Аксион, обладающий чрезвычайно малой массой и слабым взаимодействием с обычной материей, изначально был разработан как теоретический механизм, подавляющий нарушения CP-инвариантности. Однако, последующие расчеты показали, что аксионы могут образовывать значительную часть темной материи во Вселенной, делая их не только решением теоретической проблемы, но и потенциальным кандидатом на роль невидимой массы, формирующей структуру космоса.

Изначально предложенные для решения так называемой «сильной CP-проблемы» в квантовой хромодинамике, аксионы неожиданно стали одним из наиболее перспективных кандидатов на роль тёмной материи. Теоретические расчёты показывают, что при определённых параметрах взаимодействия, аксионы могли образоваться в ранней Вселенной в достаточном количестве, чтобы объяснить наблюдаемую плотность тёмной материи. Более того, их чрезвычайно малая масса и слабое взаимодействие с обычной материей соответствуют многим астрофизическим наблюдениям, которые не могут быть объяснены другими кандидатами. Таким образом, аксионы представляют собой элегантное решение сразу двух фундаментальных проблем современной физики, что делает их объектом интенсивных поисков в лабораториях и астрономических обсерваториях по всему миру.

Методы Обнаружения Аксиона: Многосторонний Подход

Галоскопы и гелиоскопы используют предсказанное превращение аксионов в фотоны в сильном магнитном поле. Принцип работы основан на резонансе: аксионы, взаимодействуя с магнитным полем, могут превращаться в фотоны определенной частоты, если частота аксионов соответствует резонансной частоте полости резонатора. Чувствительность этих детекторов напрямую зависит от напряженности магнитного поля и объема резонатора, а также от способности точно настроить частоту для поиска сигнала. Гелиоскопы, в отличие от галоскопов, ориентированы на поиск аксионов, производимых в ядре Солнца, и требуют высокой направленности и экранирования от фонового излучения.

Эксперименты типа «Свет сквозь стену» (Light-Shining-Through-A-Wall) основаны на предположении, что аксионы могут преобразовываться в фотоны в сильном магнитном поле. В этих экспериментах мощный лазер направляется через магнитное поле, а за ним располагается непрозрачный барьер. Если аксионы существуют и взаимодействуют с фотонами, то небольшое количество фотонов может «пройти сквозь стену» и быть зарегистрировано детектором, расположенным за барьером. Эффективность обнаружения напрямую зависит от интенсивности лазерного пучка, силы магнитного поля и чувствительности детектора, а также от свойств самого аксиона, таких как его масса и константа связи с фотонами.

Помимо резонансных методов поиска аксионов, разрабатываются инновационные подходы, основанные на взаимодействии аксионов с ядерными спинами. Данные методы используют технику ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для регистрации изменений в спектрах ЯМР, вызванных взаимодействием с аксионами. В этих экспериментах аксионы, проходя через вещество, могут вызывать небольшие сдвиги в частотах резонанса ядер, что позволяет идентифицировать их присутствие. Чувствительность таких установок зависит от плотности вещества, интенсивности магнитного поля и времени накопления сигнала. Преимуществом данного подхода является возможность поиска аксионов в широком диапазоне масс, не ограничиваясь резонансными частотами, характерными для других методов.

Пост-обработка данных цифрового сканирования с фазовой синхронизацией позволила определить резонансные частоты и добротности, выявив колебания вокруг оси симметрии, а калибровка зависимости между амплитудой магнитного поля и смещением оптического пятна, выполненная с использованием <span class="katex-eq" data-katex-display="false">B_{\mathrm{cal}}</span> на частоте <span class="katex-eq" data-katex-display="false">f_{\mathrm{cal}}</span>, позволила определить коэффициент передачи по формуле (S14). — Пост-обработка данных цифрового сканирования с фазовой синхронизацией позволила определить резонансные частоты и добротности, выявив колебания вокруг оси симметрии, а калибровка зависимости между амплитудой магнитного поля и смещением оптического пятна, выполненная с использованием $B_{\mathrm{cal}}$ на частоте $f_{\mathrm{cal}}$ , позволила определить коэффициент передачи по формуле (S14).

Пределы Чувствительности: Экранирование и Измерения

Эффективное магнитное экранирование, включающее использование сверхпроводящих материалов, является критически важным для минимизации внешних помех и изоляции слабых сигналов, возникающих при взаимодействии аксионов. Внешние магнитные поля, создаваемые окружающей средой, могут значительно превышать ожидаемый сигнал от аксионов, маскируя его. Применение многослойных магнитных экранов, включающих материалы с высокой магнитной проницаемостью и сверхпроводящие элементы, позволяет значительно снизить уровень внешних помех. Сверхпроводящие экраны, работающие при криогенных температурах, обладают свойством вытеснения магнитного поля из своего объема (эффект Мейснера), что обеспечивает особенно эффективное экранирование низкочастотных магнитных возмущений, критичных для детектирования сигналов от слабо взаимодействующих частиц, таких как аксионы.

Для регистрации слабых магнитных полей, возникающих при взаимодействии аксионов с электронами, используются ферромагнитный торсионный осциллятор и комагнетометр. Торсионный осциллятор, представляющий собой механический резонатор, чувствителен к изменениям крутящего момента, вызываемым внешними магнитными полями. Комагнетометр, основанный на принципе оптического накачивания и измерения поляризации, позволяет детектировать изменения магнитного поля за счет когерентного взаимодействия атомов. Оба прибора предназначены для обнаружения чрезвычайно слабых сигналов, что требует высокой степени экранирования от внешних помех и оптимизации параметров для достижения максимальной чувствительности.

Чувствительность измеряемых магнитных полей принципиально ограничена квантовым пределом и временем когерентности используемых квантовых состояний. В данном исследовании достигнут текущий предел на силу связи аксиона с электроном, $g_{a_{ee}}$ , который приближается к существующим пределам, полученным с помощью комагнитометров. Ограничения, обусловленные квантовым пределом, определяются фундаментальными принципами квантовой механики, а время когерентности характеризует период, в течение которого квантовая система сохраняет фазовую информацию, необходимую для точного измерения. Преодоление этих ограничений является ключевой задачей для дальнейшего повышения чувствительности экспериментов по поиску аксионов.

Достигнутый коэффициент добротности (Q) крутильного осциллятора равен 10⁵, что является ключевым фактором для максимизации полосы пропускания, ограниченной тепловым шумом. Высокое значение Q позволяет существенно снизить уровень теплового шума, влияющего на точность измерений слабых магнитных полей, и, следовательно, повысить чувствительность при поиске аксионов. Полоса пропускания, обратно пропорциональная времени когерентности, напрямую влияет на способность устройства регистрировать сигналы в определенном диапазоне частот, а высокий коэффициент добротности расширяет этот диапазон, улучшая общую эффективность детектора.

В ходе экспериментов наблюдалось ослабление сигнала, предположительно связанного с аксионами, вследствие использования магнитной экранировки. Измеренный коэффициент ослабления составил 1.7 x 10^-3. Данный эффект является следствием взаимодействия аксионов с материалами экранировки и необходимо учитывать при анализе результатов и интерпретации данных, поскольку он влияет на оценку силы связи аксиона с электроном $g_{a_{ee}}$ . Учет коэффициента ослабления позволяет более точно определить истинную величину сигнала, генерируемого потенциальным аксион-электронным взаимодействием.

Анализ данных, представленных на рисунке 2, позволил установить 90%-й уровень доверия для связи между силой взаимодействия аксиона и электрона <span class="katex-eq" data-katex-display="false">g_{aee}</span> в зависимости от массы аксиона <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_a</span> (по нижней оси) и частоты комптоновского рассеяния <span class="katex-eq" data-katex-display="false">f_c</span> (по верхней оси), подтвержденный результатами моделирования с медианным значением и полосами <span class="katex-eq" data-katex-display="false">1\sigma/2\sigma</span>, а также существующими ограничениями, полученными с использованием старых комагнетометров (Blochet al., 2020), с учетом потенциального ослабления поля аксиона <span class="katex-eq" data-katex-display="false">B_a</span> из-за внутреннего магнитного экранирования. — Анализ данных, представленных на рисунке 2, позволил установить 90%-й уровень доверия для связи между силой взаимодействия аксиона и электрона $g_{aee}$ в зависимости от массы аксиона $m_a$ (по нижней оси) и частоты комптоновского рассеяния $f_c$ (по верхней оси), подтвержденный результатами моделирования с медианным значением и полосами $1\sigma/2\sigma$ , а также существующими ограничениями, полученными с использованием старых комагнетометров (Blochet al., 2020), с учетом потенциального ослабления поля аксиона $B_a$ из-за внутреннего магнитного экранирования.

Влияние Открытия: За Гранью Стандартной Модели

Подтверждение существования аксионов стало бы прорывом, решающим сразу две фундаментальные загадки современной физики. Помимо объяснения природы тёмной материи, составляющей большую часть массы Вселенной, это укрепило бы решение так называемой «сильной CP-проблемы». Данная проблема заключается в отсутствии наблюдаемых нарушений CP-симметрии в сильных взаимодействиях, что требует тонкой настройки параметров Стандартной модели. Аксионы, изначально предложенные как решение этой проблемы, естественным образом подавляют вклад, вызывающий нарушение CP-симметрии, предлагая элегантное и убедительное объяснение. Таким образом, обнаружение аксионов не только расширит наше понимание состава Вселенной, но и подтвердит теоретическую стройность Стандартной модели, указывая на более глубокую и гармоничную структуру фундаментальных взаимодействий.

Взаимодействие, известное как «Аксионный ветер», представляет собой перспективный путь для выхода за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц. Этот эффект, возникающий вследствие движения Земли сквозь гипотетический поток аксионов — основных кандидатов на роль темной материи — позволяет предполагать существование связи между аксионами и другими фундаментальными частицами, не описанными в существующей модели. Исследования показывают, что аксионный ветер может индуцировать слабые, но обнаружимые сигналы, взаимодействуя с электронами или другими частицами, что открывает возможность не только подтвердить существование аксионов, но и изучить их свойства, такие как масса и сила взаимодействия. Понимание этих взаимодействий может пролить свет на новые физические явления и помочь в построении более полной теории, объединяющей все известные силы и частицы во Вселенной.

Исследования взаимодействия аксионов со спинами электронов открывают принципиально новый подход к изучению природы тёмной материи. В отличие от традиционных методов, ориентированных на обнаружение слабых взаимодействий аксионов с фотонами, данный подход позволяет исследовать аксионы, не оказывающие существенного влияния на электромагнитное излучение. Новейшие экспериментальные установки, использующие прецизионные измерения спиновых состояний электронов, способны улавливать тончайшие возмущения, вызванные прохождением аксионов через вещество. Анализ этих возмущений позволяет не только подтвердить существование аксионов, но и определить их массу, скорость и пространственное распределение во Вселенной, предоставляя уникальную возможность составить карту тёмной материи и понять её роль в формировании крупномасштабной структуры космоса. Подобные исследования, таким образом, обещают пролить свет на одну из самых фундаментальных загадок современной физики.

Система FMTO состоит из левитирующего магнита, чувствительного магнита, соединенных тефлоновой штангой и стабилизирована пиролитическим графитовым диском, при этом отслеживание движения осуществляется с помощью камеры и алгоритма определения центроидов, а индукция крутильного колебания чувствительного магнита и определение оси чувствительности к эффективному магнитному полю аксионов обеспечиваются парой катушек, генерирующих смещение магнитного поля <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\vec{B}_{\mathrm{bias}}</span>, и дополнительной парой катушек, выровненных вдоль оси <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\vec{\xi}</span>, для калибровочных сигналов. — Система FMTO состоит из левитирующего магнита, чувствительного магнита, соединенных тефлоновой штангой и стабилизирована пиролитическим графитовым диском, при этом отслеживание движения осуществляется с помощью камеры и алгоритма определения центроидов, а индукция крутильного колебания чувствительного магнита и определение оси чувствительности к эффективному магнитному полю аксионов обеспечиваются парой катушек, генерирующих смещение магнитного поля $\vec{B}_{\mathrm{bias}}$ , и дополнительной парой катушек, выровненных вдоль оси $\vec{\xi}$ , для калибровочных сигналов.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует стремление к предельной ясности в поиске фундаментальных частиц. Ученые стремятся выделить слабый сигнал, скрытый в шуме, используя высокочувствительный торсионный осциллятор. Этот подход напоминает о принципах минимализма, где каждый элемент призван служить определенной цели, а избыточность исключается. Как говорил Галилей: «Цель науки — объяснить, а не оправдывать». В данном случае, цель — не просто обнаружить аксионную темную материю, но и создать инструмент, который позволит это сделать с максимальной точностью и простотой, очистив сигнал от всего лишнего. Ограничения, связанные с магнитным экранированием, лишь подчеркивают необходимость постоянной работы над упрощением и оптимизацией экспериментальной установки.

Что дальше?

Представленная работа, будучи лишь очередным шагом в поиске неуловимого, подчеркивает фундаментальную сложность задачи. Погоня за аксионами, особенно сверхлёгкими, неизбежно наталкивается на ограничения, заложенные в самой природе экспериментальной установки. Улучшение магнитной защиты — это не решение, а лишь отсрочка неизбежного столкновения с фоновым шумом, порождаемым несовершенством измерительных приборов и, что важнее, окружающего мира. Попытки усложнить систему, добавить новые фильтры и экраны — это признание поражения в борьбе за простоту.

Истинный прогресс, вероятно, лежит не в увеличении чувствительности, а в переосмыслении самой стратегии поиска. Необходимо признать, что аксион, если он и существует, может быть не тем, что мы предполагаем. Упорство в рамках существующей модели — это не наука, а лишь вежливое повторение уже известных фактов. Простота — вот истинная цель. Если гипотеза требует длинного объяснения, значит, она ошибочна.

Следующим шагом должно стать не создание более сложных приборов, а разработка принципиально новых методов обнаружения, основанных на минимальном количестве предположений. Идеальный детектор — это тот, который не требует инструкций. Лишь тогда можно будет надеяться выйти за пределы существующего тупика и приблизиться к пониманию тёмной материи. Иначе всё это — лишь приятное самообман.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.04576.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-09 15:12