Поиск аксионов уперся в стену, и физики довольны этим
Коллаборация ученых ALPS II из исследовательского центра DESY не нашла свидетельств существования аксионов, которые могли бы дополнить Стандартную модель. Исследователи посчитали такой результат четырехмесячных экспериментов успехом, ведь он показал стабильную работу установки и воспроизводимые результаты.
Стандартная модель хорошо объясняет сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие, а объединить ее с Общей теорией относительности, описывающей гравитационное взаимодействие, у специалистов пока не получилось. Так как эта модель не объясняет все наблюдаемые физические явления, ученые постоянно ищут способы модифицировать ее до полного совпадения с реальностью.
CP-симметрия постулирует, что если у частицы есть античастица и эту античастицу дополнительно отразили зеркально, то для измененной античастицы будут действовать те же законы физики, что и для исходной. Слабое взаимодействие, ответственное за некоторые типы ядерного распада, этот принцип может нарушать. При этом в сильном взаимодействии, связывающем кварки друг с другом, нарушения CP-симметрии не происходит.
Аксионы теоретически объясняют, почему это происходит. Чтобы ввести аксионы в систему, эти частицы должны быть экстремально легкими и почти не должны взаимодействовать с материей и светом. Теоретически аксионы обосновали в 1977 году, но их еще ни разу не зарегистрировали, хотя искали по всему космосу. Ученые решили, что можно и генерировать, и ловить аксионы на Земле.
Для этого им пришлось интенсивно светить в стену. Эксперименты назвали ALPS (Any Light Particle Search, «Ищем любую частицу светом»). В них ищут аксионоподобные частицы, темные фотоны, минизаряженные частицы, аксионы и что угодно — что можно отнести к слабо взаимодействующим легким частицам (WISP, weakly interacting slim particles).
Эксперимент ALPS II работает так: ученые создали условия для прохождения света сквозь стену. Для этого фотону необходимо превратиться в аксион, а потом обратно. Сильный лазер светил на стену, луч лазера проходил через магнитное поле, которое создавали 12 сверхпроводящих дипольных магнитов. Длина волны лазера — 1064,5 нанометра, мощность — около 25 ватт, каждый магнит генерирует поле в 5,3 тесла на длине почти девять метров.
В магнитном поле фотоны могут стать аксионами прямо перед стеной-препятствием, не пропускающей свет. За стеной находилось еще одно магнитное поле, которое могло помочь аксионам превратиться обратно в фотоны.
Если аксионы существуют, то крохотная часть фотонов пройдет через два превращения. Чтобы повысить вероятность этих процессов, ученые поставили за стеной ловушку-резонатор длиной 122,6 метра. В ней с помощью системы зеркал увеличили амплитуду излучения. На выходе из резонатора оптический сигнал на частоте первичного лазера встречался с излучением другого лазера. Интерференция двух световых лучей должна была дать слабый, но хорошо различимый пульсирующий сигнал строго определенной частоты.
Коллаборация ученых, работающих с ALPS II, сообщила о первых результатах работы. В экспериментах, проведенных с февраля по май 2024 года, не нашли ни аксионов, ни других WISP, но ограничили область поиска этих частиц сверху. Подробности опубликованы на сервере препринтов arXiv.org и приняты к публикации в журнале Physical Review Letters.
Сильно изолированный от внешнего мира и первичного луча лазера прибор улавливал два фотона в час. Физики сообщили, что это рассеянный свет, а не следы аксионов. Эти эксперименты позволили сузить область поиска слабо взаимодействующих легких частиц.
И это важный результат. Исследователи повысили чувствительность системы в 20 раз по сравнению с предшествующими экспериментами. Установку продолжают модифицировать: на этот раз резонатор поставят и перед непроницаемой для света стеной, что должно увеличить чувствительность примерно в 100 раз.
Telegram 
Дзен 
VK 
