Аксионы, быть может, уже обнаружены

...И вместе с ними — тёмная материя. Правда, чтобы убедиться в этом, потребуется серия экспериментов — к счастью, сравнительно простых и быстро организуемых.

Поиски слабо взаимодействующих частиц тёмной материи (WIMP, вимпов) пока не очень результативны. Напрашивается вопрос: какие ещё частицы могут быть кандидатами на роль тёмной материи?

Вот так аксионы пытались ловить раньше. (Иллюстрация Minowa Group.)

С весьма давних пор на такое место прочат аксионы — гипотетические нейтральные частицы, которые должны слабо взаимодействовать с обычным барионным веществом и в конце своего жизненного пути распадаться на пару фотонов. Вот только все попытки обнаружения следов таких частиц в экспериментах заканчивались безрезультатно.

...Или нам так казалось, предполагает Кристиан Бек (Christian Beck) из Кембриджского университета (Великобритания), автор рассматриваемой здесь провокационной работы. Определённая аномалия в экспериментах со сверхпроводниками вполне может быть результатом деятельности именно аксионов, проходящих через экспериментальную установку. И если это так, то для масс в 0,11 мэВ аксионы уже найдены!

Конечно, бросать в воздух чепчики рано. Во-первых, масса слишком мала. Во-вторых, всё это ещё нужно подтвердить, но бесспорным плюсом гипотезы является сравнительно несложная её проверяемость. Эксперименты со сверхпроводимостью не требуют Большого адронного коллайдера, а потому уже в скором времени мы узнаем: аксионы то были или просто шум.

Традиционный поиск основывался на том, что при прохождении через магнитное поле аксион должен распадаться на два фотона, и наоборот. Пока все попытки обнаружить таким образом аномальное рождение фотонов не удавались, но г-н Бек считает, что есть более простой метод. Он предлагает использовать джозефсоновские переходы — пару сверхпроводников, разделённых между собой, скажем, слоем изолятора. Сверхпроводники при этом будут обмениваться парами электронов через разделяющую их область с частотой, называемой джозефсоновской. Такие приборы довольно широко используются в экспериментальной технике уже сегодня и не являются чем-то запредельно экзотичным.

В предложенной схеме если джозефсоновская частота совпадёт с массой аксиона, то в момент, когда последний войдёт в изолятор между парой сверхпроводников, он даст резкий «горб», скачок в регистрации обмена электронными парами между сверхпроводниками.

Завершив описание схемы, Кристиан Бек напоминает, что именно её непреднамеренно уже реализовали в эксперименте 2004 года, когда Кристоф Хоффман (Christoph M. Hoffmann) и соавторы изучали разные виды шумов в джозефсоновских переходах. Почти все их удалось тогда объяснить, кроме сильного роста шумов в районе 0,11 мэВ, когда перенос электронных пар без видимой причины резко учащался.

Если всё именно так — аксионы есть; правда, их масса в 200 млрд раз меньше, чем у электрона. Всё что нужно, чтобы в этом убедиться, — попробовать те же опыты с джозефсоновскими переходами, защищёнными различными видами экранирования. Они вряд ли отсекут аксионы, кои, наверное, не проще остановить, чем нейтрино, но все посторонние шумы типа микроволн ими так или иначе подавить можно.

Новый же метод требует лишь джозефсоновских переходов. Сравните их размеры в микрометрах с обычным устроителем; поставить такой эксперимент будет не очень сложно. (Иллюстрация Florida State University.)

Если Кристиан Бек прав, охота за тёмной материей наконец-то приближается к своему несколько неожиданному концу. Однако, помимо общего призыва к осторожности в интерпретации его работы, дополнительно заметим, что для полного покрытия всей тёмной материи аксиону нужно не просто быть, но ещё и встречаться в пространстве нашей Вселенной довольно часто — иначе его может «не хватить» на эту роль, как некогда «не хватило» нейтрино.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters, а его препринтом можно полистать здесь.

Подготовлено по материалам Ars Technica.