Поиск сверхлегких элементарных частиц — аксионов, которые в рамках теоретических моделей рассматриваются как кандидаты на роль темной материи, обеспечивающей гравитационную связность галактик и их скоплений, — перешел на качественно новый этап. Оборудование эксперимента Axion Dark Matter Experiment (ADMX), проводимого специалистами Вашингтонского университета, было модернизировано до уровня, позволяющего регистрировать аксионы в широком диапазоне частот. Тем не менее, из-за отсутствия точных данных о массе и энергии данных частиц исследователям может потребоваться значительное количество времени для полного охвата предполагаемого спектра параметров.

Аксион является гипотетической элементарной частицей, возможность существования которой была теоретически обоснована 41 год назад. Эта частица была предложена для решения одной из проблем в теории сильных ядерных взаимодействий, описывающей силы, связывающие кварки, из которых состоят нейтроны, протоны и другие субатомные частицы.

Помимо участия в сильных ядерных взаимодействиях, аксионы могут играть и вторую роль – они могут являться одним из видов частиц темной материи, на долю которой приходится около 85 процентов от общего количества материи во Вселенной.

Напомним нашим читателям, что, несмотря на массу предпринятых ранее и предпринимаемых сейчас попыток, темной материи постоянно удается ускользать от обнаружения учеными. На ее наличие указывают только гравитационные силы, являющиеся ее единственным проявлением в реальном мире. И одной из самых больших загадок современной физики является природа частиц темной материи.

Если темная материи состоит из аксионов, то физики могут обнаружить их, используя сильнейшие магнитные поля и высокочувствительные приемники радиоизлучения. Магнитное поле вызовет превращение аксионов в фотоны света, а так как аксионы имеют очень малую массу, то частота этих фотонов будет очень низка и будет находиться в радиодиапазоне. При помощи приемников радиосигналов ученые будут пытаться зарегистрировать очень слабый шум на определенной частоте, создаваемый превращением аксионов в фотоны.

В настоящее время высокая чувствительность оборудования эксперимента ADMX уже позволила исключить из области поисков энергетический диапазон от 2.66 до 2.82 МэВ, что соответствует одной триллионной доле от массы электрона. Согласно имеющейся теории, аксионы, в случае если они все же являются частицами темной материи, должны иметь массу-энергию в диапазоне от 1 до 100 МэВ с наибольшим пиком вероятности в районе 40 МэВ. Именно на этот диапазон сейчас настроены датчики эксперимента ADMX, и это должно принести результаты в самом ближайшем времени.

Для любознательных

В России поиск сверхлегких аксионов (гипотетических частиц, рассматриваемых как главные кандидаты на роль темной материи) идет сразу по нескольким передовым направлениям. Исследования носят как теоретический, так и экспериментальный характер, а основные работы ведутся в ведущих научных центрах страны. 

Основные направления поиска в России:

• Космологический аксионный саровский галоскоп (CASH):
  Один из самых заметных отечественных проектов, разрабатываемый физиками из ИЯИ РАН и ОИЯИ (Дубна). Установка CASH представляет собой сверхчувствительный резонатор, предназначенный для регистрации следов аксионов в сильном магнитном поле при помощи улавливания квантового шума. Проект нацелен на поиск аксионов, темных фотонов и даже высокочастотных гравитационных волн с рекордной точностью. 
• Поиск на базе накопительных колец (ОИЯИ):
  Ученые ОИЯИ рассчитывают на то, что аксионы могут вызывать крошечные колебания ядерных спинов в электрических и магнитных полях. Для этого разрабатываются и адаптируются современные теоретические методы релятивистской спиновой динамики. 
• Лабораторные детекторы нового типа:
  Помимо крупных проектов, российскими учеными (например, в Нижнем Новгороде) и профильными институтами РАН прорабатываются новые методики. Среди них — использование чувствительных пьезоэлектрических кристаллов, которые при взаимодействии с аксионным полем могут генерировать слабые акустические сигналы.