для разных гипотез. Так, малость дебройлевской длины волны тяжелых вимпов (обычно более нескольких гигаэлектронвольт) гарантирует их корпускулярное поведение на астрономических масштабах. Вместе с тем, длина волны сверхлегких аксионов (порядка 10−22 электронвольт) сопоставима с размерами галактических гало. В последнем случае волновая природа темных частиц может проявиться в астрономических наблюдениях.
Альфред Армут (Alfred Amruth) из Гонконгского университета вместе с коллегами из шести стран исследовали то, как разница между волновой и корпускулярной темной материей сказывается на эффектах гравитационного линзирования галактиками. Они показали, что аксионная модель лучше воспроизводит аномалии яркости и положения, чем модель с вимпами, которая обычно требует добавления субгало. Астрономы проверили свои расчеты на примере реальных наблюдений.
Модель массивных частиц темной материи допускает неоднородность их плотности во Вселенной. Предполагается, что вимпы концентрируются вокруг центра галактик, формируя галактическое гало. Важно при этом, что флуктуации их плотности не слишком большие в силу характера взаимодействия этих частиц и их массы.
Поведение сверхлегких аксионов на галактических масштабах, напротив, подчиняется квантовомеханическим законам. В частности, область притяжения создает для них потенциальную яму, в которой частицы стремятся занять состояния стоячих волн. Самоинтерференция аксионов допускает существенно большие флуктуации их плотности: от полного нуля до удвоенного значения. С помощью численного моделирования ученые убедились, что такие большие флуктуации существенно сказываются на яркости и положении фонового объекта.
Они применили свои модели к системе HS 0810+2554. Она включает в себя массивную эллиптическую галактику на переднем плане, которая четырехкратно линзирует фоновую галактику-квазар. Ее изображение в видимом диапазоне получил телескоп Хаббл, а в радиодиапазоне — сеть интерферометров EVN.
Задачей моделирования было наилучшим образом предсказать положение на изображении двух джетов в радиодиапазоне и видимой части квазара при четырехкратном линзировании. Это наложило ограничение на распределение радиальной плотности темной материи. Для модели на основе вимпов авторы остановили свой выбор на эллиптическом степенном профиле без внешнего сдвига. При выборе распределения аксионной плотности астрономы отталкивались от этого результата, но учитывали случайным образом сгенерированные интерференционные флуктуации, погашенные на 50 процентов барионным фактором. В сравнение они включили 75 сценариев генерации.
В результате выяснилось, что подход на основе тяжелых частиц все еще неспособен учесть аномалии яркости и положения для HS 0810+2554. Аксионная модель также не смогла дать полного объяснения, однако авторы показали, что в этом случае можно воспроизвести распределение углового разделения между различными элементами из разных сегментов изображения. Кроме того, модель на основе легких части способна воспроизвести отношение интенсивностей джетов, а также аномалию яркости. Астрономы уверены, что их анализ послужит дополнительным аргументом в пользу аксионного подхода к темной материи.
nplus1, 27 апреля 2023, Марат Хамадеев
https://nplus1.ru/news/2023/04/27/wavelike-dark-matter
Nature Astronomy, апрель 2023,
Альфред Армут (Alfred Amruth) Гонконгский университет
https://www.nature.com/articles/s41550-023-01943-9
Глава 11-13-9
На DESY стартовал эксперимент ALPS II по поиску аксионов
Май 2023
В немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II (Any Light Particle Search), призванный обнаружить превращение фотонов в частицы темной материи с малой массой (аксионы). Об этом сообщает сайт DESY.
Установка состоит из двух оптических резонаторов общей протяженностью 250 метров в сильном магнитном поле, достигающем 5,3 тесла. Идея опыта заключается в том, что фотоны из первого резонатора могут превратиться в аксионы, туннелирующие во второй резонатор и превращающиеся там обратно в фотоны.
Физики планируют, что чувствительности детектора будет достаточно, чтобы регистрировать один фотон в день. Однако сначала ученые собираются работать в ослабленном режиме, чтобы понять характер фона. Полная чувствительность будет достигнута во второй половине 2023 года, а в 2024 установку ожидает модернизация.
В первоначальном варианте заметки сообщалось, что DESY — это синхротрон. На самом деле это целый исследовательский комплекс, который включает в себя синхротрон (название DESY расшифровывается как Deutsches Elektronen-Synchrotron). Тем не менее, эксперимент ALPS II не имеет прямого отношения к синхротронному излучению: он лишь использует инфраструктуру и оборудование комплекса.
nplus1, 23 мая 2023, Марат Хамадеев
https://nplus1.ru/news/2023/05/23/alps-ii
сайт DESY
Глава 11-13-10
Физики ограничили ультралегкую темную материю при помощи атомных часов
Сентябрь 2023
Физики из Великобритании получили наиболее жесткие на сегодняшний день ограничения на параметры ультралегкой темной материи. Для этого они использовали данные атомных часов и новый модельно-независимый подход к изучению вариаций во времени этих параметров и других фундаментальных констант. Работа опубликована в журнале New Journal of Physics.
По современным представлениям темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше обычного вещества. Она не участвует в электромагнитных взаимодействиях и поэтому недоступна прямому наблюдению. Наиболее вероятные кандидаты на роль темной материи — вимпы — до сих пор экспериментально не обнаружены. Поэтому ученые рассматривают и другие теории о составе темной материи: от сверхлегких частиц, например, аксионов, до первичных черных дыр.
Ранее ученые уже использовали данные атомных часов для ограничения параметров ультралегкой темной материи с массой менее 10-16 электронвольт. На этот раз физики Натаниель Шерилл (Nathaniel Sherrill) и Адам О Парсонс (Adam O Parsons) с коллегами из университета Сассекса и Национальной физической лаборатории в Теддингтоне предложили новый модельно-независимый подход к изучению временных вариаций фундаментальных констант при анализе данных атомных часов. При этом количество свободных параметров увеличилось, что по мнению ученых позволит тестировать различные модели и их константы связи.
Чтобы проверить новый подход в действии, физики использовали три типа атомных часов: на основе атомов стронция Sr в решетчатой ловушке, на основе ионов иттербия Yb+ в ловушке Пауля и атомные часы на цезиевом фонтане Cs. Частоты всех часов измерялись относительно водородного мазера, после чего рассчитывались отношения частот Yb+/Sr, Yb+/Cs и Sr/Cs. Это позволило исключить возможные ошибки, связанные с нестабильностью работы мазера из-за изменения параметров окружающей среды. Генерируемые частоты во всех часах зависят от соотношений постоянной тонкой структуры и массы электрона. Поэтому из взаимных измерений частот трех часов можно получить колебания со временем этих констант. Особенностью эксперимента стала независимость измерений от предполагаемой функциональной зависимости констант от времени. Поэтому полученные ограничения могут быть использованы при рассмотрении любых гипотетических моделей.
nplus1, 8 сентября 2023, Дмитрий Рудик
https://nplus1.ru/news/2023/09/08/atomic-clock-constrain-uldm
New Journal of Physics, сентябрь 2023.
Натаниель Шерилл (Nathaniel Sherrill) и Адам О Парсонс (Adam O Parsons). Университет Сассекса и Национальная физическая лаборатория в Теддингтоне
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/aceff6
