Российские физики предложили искать темную материю посреди квантового шума
Большой коллектив российских ученых из ведущих физических институтов Москвы, Нижнего Новгорода, Сарова и Санкт-Петербурга представил амбициозный проект нового эксперимента по поиску аксионов — гипотетических частиц, считающихся одними из главных кандидатов на роль темной материи. Предложенная установка, получившая название «Космологический Аксионный Саровский Галоскоп» (CASH), будет использовать уникальные однофотонные детекторы на основе джозефсоновских переходов, что позволит ей преодолеть фундаментальный квантовый предел чувствительности и достичь рекордных показателей в ранее неисследованной области масс. Этот прорыв может наконец пролить свет на природу загадочной субстанции, составляющей более 80% всей материи во Вселенной.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ приняли участие в редкой для детской нейрохирургии операции с пробуждением у 11-летнего пациента с фармакорезистентной эпилепсией. Совместно с врачами НПЦ специализированной медицинской помощи детям имени В.Ф. Войно-Ясенецкого в Солнцево они сопровождали удаление участка левой височной доли, где был выявлен эпилептический очаг.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
Анализ ДНК и изотопный анализ зубов показали, что мужчина генетически был связан с саамскими популяциями, но часть жизни провел за пределами Финляндии — возможно, в Исландии. Авторы нового исследования пришли к выводу, что на рубеже XVI-XVII веков саамские сообщества не были изолированы, как предполагали многие исследователи. Люди путешествовали на далекие расстояния и поддерживали контакты с дальними регионами Северной Атлантики.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно