трудность при поиске частиц тёмной материи заключается в том, что они не участвуют в электромагнитном взаимодействии, то есть невидимы и имеют небарионную природу.
Имеются два варианта поиска: прямой и косвенный.
При прямом экспериментальном поиске ТМ с помощью наземной аппаратуры изучаются следствия взаимодействия этих частиц с электронами или атомными ядрами в чувствительном объёме низкофонового ядерно-физического детектора. При рассеянии частицы тёмной материи, входящей в состав галактического гало, на частице обычного вещества (электроне или нуклоне) последняя получает определённую кинетическую энергию и может быть зарегистрирована обычными методами. Проблема заключается в чрезвычайной малости сечения взаимодействия частиц ТМ с обычными частицами. Дополнительная экспериментальная сигнатура, позволяющая подавить фон, но вносящая определённую модельную зависимость, основана на ожидаемом периодическом изменении скорости Земли (и детектора вместе с ней) относительно гало тёмной материи ввиду орбитального движения вокруг Солнца, что должно приводить к вариациям сигнала с годичной периодичностью и максимумом в начале июня. Вариант прямого поиска лёгких частиц ТМ (в частности, аксионов) заключается в детектировании их распада на фотоны в магнитном поле в высокодобротной резонансной полости (так называемом галоскопе).
Подобные эксперименты требуют высокой точности и исключения помех от других источников сигнала, поэтому детекторы, как правило, располагаются под землёй.
Косвенные методы детектирования основаны на попытках обнаружения потоков вторичных частиц (нейтрино, фотонов и т. п.), которые возникают, например, благодаря аннигиляции солнечной или галактической тёмной материи.
Глава 11-11-3
Попытки. Справка
В течение последних тридцати лет физики искали частицы темной материи огромным числом независимых способов.
Во-первых, поисками занимаются огромные детекторы на благородных газах, которые просматривают сотни килограмм вещества в надежде заметить столкновение вимпов с одним из его атомов. В частности, к таким детекторам относятся установки XENON, CDMS, PandaX и DarkSide.
Во-вторых, некоторые ученые предлагают немного видоизменить этот подход, заменив сжиженный газ массивом сверхпроводящих нанопроводов. Оба этих подхода отталкиваются от успеха нейтринных детекторов, имеющих схожую конструкцию.
В-третьих, на «темные» частицы может указывать недостаток обычных частиц, которые рождаются в столкновениях высокоэнергетических протонов (например, на Большом адронном коллайдере).
В-четвертых, в последнее время разрабатывают детекторы, которые могут «почувствовать» легкие частицы темной материи — например, детекторы ADMX и ABRACADABRA. Наконец, некоторые ученые предлагают искать частицы темной материи по косвенным признакам — по разогреву нейтронных звезд или аннигиляции. Как бы то ни было, ни один из этих способов не дал положительного результата.
В ноябре 2017 года физики из Университета Брауна предложили искать легкие частицы темной материи с помощью квантового испарения жидкого гелия. В каком-то смысле этот подход аналогичен «туманной», «снежковой» и пузырьковой камере, которые основаны на фазовых переходах метастабильного вещества.
Эксперимент ADMX (Axion Dark Matter Experiment) располагается в Центре Экспериментальной Ядерной Физики и Астрофизики (CENPA) в университете штата Вашингтон. Главная задача его – поиск холодной темной материи по методу, использующему большой свехпроводящий соленоид. Магнитное поле, создаваемое им, однородное и составляет 7,6 Тл. Согласно теории, аксионы в таких условиях должны превращаться в низкоэнергетичные фотоны.
Рис. Эксперимент ADMX
Аксионный галоскоп изобрел Пьер Сикиви в 1983 году. После того, как эксперименты в Университете Флориды продемонстрировали практичность аксионного галоскопа, ADMX был построен в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в 1995 году. В 2010 году ADMX переехал в Центр экспериментальной физики и астрофизики (CENPA) Вашингтонского университета.Под руководством доктора Лесли Розенберга ADMX проходит модернизацию, которая позволит ему быть чувствительным к широкому диапазону вероятных аксионных масс и связей темной материи.
Хотя темную материю нельзя увидеть напрямую, ее гравитационное взаимодействие с привычной материей оставляет доказательства ее существования. Сегодняшняя Вселенная не выглядела бы так же без темной материи.Природа темной материи остается одной из величайших загадок физики. Возможно темная материя состоит из аксионов. Аксион — это нейтральная частица, которая чрезвычайно слабо взаимодействует и может производиться в нужном количестве, чтобы составить темную материю. Если темная материя, составляющая большую часть всей материи в нашей Вселенной, является аксионами, ADMX — один из экспериментов, способных ее обнаружить.
Глава 11-11-5
Пьер Сикиви
Пьер Сикиви (родился 29 октября 1949 г.) - американский физик-теоретик и в настоящее время заслуженный профессор физики Университета Флориды в Гейнсвилле, Флорида.Он изобрел аксионный галоскоп и аксионный гелиоскоп и сыграл важную роль в развитии аксионной космологии.
Рис. Пьер Сикиви
Сикиви получил лицензию естественных наук в Льежском университете, Бельгия, в 1970 году и защитил докторскую диссертацию.получил степень доктора физики под руководством Фезы Гюрси из Йельского университета в 1975 году, защитив диссертацию «Лептонные и адронные спектры в универсальных калибровочных теориях».
Сикиви был научным сотрудником кафедры физики Университета.из Мэриленда с 1975 по 1977 год и в SLAC с 1977 по 1979 год. Он стал старшим научным сотрудником ЦЕРН с 1979 по 1981 год и доцентом Университета Флориды с 1981 по 1984 год. В 1984 году он стал доцентом физики в Университете Флориды.и получил звание профессора в 1988 году. Нынешнее звание «Заслуженный профессор» он получил в 2012 году.
Сикиви лауреат премии Сакураи 2020 года. В 1994 году Сикиви был избран членом Американского физического общества.Он был стипендиатом Гуггенхайма в 1997–1998 учебном году.
Сикиви сыграл решающую роль в разработке эксперимента Axion Dark Matter eXperiment (ADMX).Он сотрудничал с Нилом С. Салливаном и Дэвидом Б. Таннером из Университета Флориды и разработал экспериментальные детали ADMX.В 1983 году Сикиви вместе с Дж. Прескиллом, М. Б. Уайзом, Ф. Вильчеком, Л. Ф. Эбботтом, М. Дайном и В. Фишлером обнаружили, что космические аксионы, созданные в результате механизма смещения, могут составлять значительную часть Темной материи.Позже Сикиви заложил теоретическую основу для обнаружения аксионов темной материи, таких как ADMX.
CDMS (англ. Cryogenic Dark Matter Search — Криогенный поиск тёмной материи) — серия экспериментов, разработанных для непосредственного детектирования частиц тёмной материи в форме вимпов. Используя матрицу полупроводниковых детекторов, находящихся при температуре около 0,01 К, CDMS является наиболее чувствительным экспериментом по получению данных о взаимодействии вимпов с земным веществом. Первый эксперимент CDMS-1 проводился в туннеле под кампусом
