частиц. Аксионы — это также гипотетические частицы из темного сектора, и они могут превращаться в фотоны и обратно в присутствии сильного магнитного поля.
«Радиоприемником» свой прибор авторы называют потому, что принцип его работы похож на принцип работы обычного радио - оно ловит радиоволны при помощи антенны и переводит пойманный сигнал в звук.
Ученые будут медленно перестраивать частоту своего радио, в поисках той частоты, на которой присутствует сильный сигнал темной материи. Поскольку, однако, даже в резонансе сигнал от темной материи ожидается слабым — иначе бы его уже давно засекли — то для увеличения чувствительности детектора используют специальные магнитометры, известные как сверхпроводящие квантово-интерференционные устройства (СКВИД).
В конечном итоге радио будет способно засечь частицы с массой от нескольких ТэВ до нескольких МэВ (эВ — электрон-вольт, единица в которой принято измерять массу элементарных частиц: например, масса электрона около 0,5 МэВ, а масса протона — около 1 ГэВ). Проблема в том, что для этого ему придется работать на частотах от килогерца до гигагерца — то есть в том диапазоне, который активно используется для беспроводной связи.
Одним из преимуществ разработанного устройства по сравнению с другими детекторами заключается в том, что его не надо прятать от космических лучей и зарывать на сотни метров под землю. Местом его размещения станет Стенфордский университет и SLAC.
nplus1.ru, 11 октября 2017, Николай Воронцов
https://nplus1.ru/news/2017/10/11/dark-radio
Журнал Symmetry Magazine. 2017
https://www.symmetrymagazine.org/article/a-radio-for-dark-matter
Глава 11-14-4
Жидкий гелий поможет найти легкую темную материю
Ноябрь 2017
Чтобы зарегистрировать частицы «легкой» темной материи, можно использовать испарение жидкого гелия при низких температурах. Ученые из университета Брауна предложили схему такой установки и показали, что с ее помощью можно найти вимпы с энергиями порядка одного мегаэлектронвольта. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Одним из вероятных кандидатов на роль части холодной темной материи являются вимпы (WIMP, weakly interacting massive particles) — гипотетические частицы, которые могут влиять на обычную материю только через слабое или гравитационное взаимодействия.
Обычно считается, что масса вимпов находится в диапазоне от 1010 до 1012 электронвольт. Однако частиц темной материи с такими массами до сих пор найдено не было. Поэтому были разработаны теоретические модели, из которых следует, что масса гипотетических частиц может быть меньше 10 гигаэлектронвольт, и проводятся эксперименты по поиску легких вимпов. Для этого используются электронные возбуждения полупроводников, сцинтилляции прозрачных кристаллов или тепловой отклик мишени, возникающие при взаимодействии частиц мишени и вимпов.
Авторы статьи предлагают схему эксперимента, аналогичного некоторым способам поиска нейтрино. Суть его заключается в том, что при взаимодействии вимпа или нейтрино с атомами жидкого гелия, находящегося в сверхтекучем состоянии, образуются квазичастицы — фононы и ротоны. Если температура гелия достаточно мала (меньше 0,1 Кельвина), помехами — образованием квазичастиц из-за тепловых флуктуаций можно пренебречь. Эти квазичастицы распространяются в жидкости, если их энергия меньше 0,7 миллиэлектронвольт. Наконец, когда квазичастица достигает поверхности жидкости, в результате квантового испарения (quantum evaporation) из нее вырывается атом гелия.
Затем вырванный из жидкости атом гелия ускоряется с помощью сильного электрического поля (несколько вольт на ангстрем), создаваемого острым наконечником туннельного микроскопа, а момент его попадания на наконечник регистрируется как кратковременное увеличение тока в сети, соединяющей катод и анод. По оценкам ученых, для эффективного детектирования отдельных атомов расстояние между наконечниками в одном массиве должно составлять до двадцати микрометров, а расстояние между самими массивами — до одного миллиметра.
По словам физиков, с помощью такой установки можно зарегистрировать отдельные вимпы с массой около 0,6 мегаэлектронвольт. Несмотря на то, что они не смогли оценить чувствительность, разрешающую способность по времени и энергии, а также другие важные характеристики предложенной ими схемы, авторы считают, что их идеи могут оказаться очень полезными для регистрации легких вимпов. Также ученые отмечают, что подобные детекторы для частиц темной материи можно построить на основе других сред, в которых длина пробега квазичастиц достаточно велика, чтобы мы могли регистрировать их рождение в больших объемах вещества. Все-таки частицы темной и «обычной» материи взаимодействуют очень редко.
nplus1.ru, 3 ноября 2017, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2017/11/03/light-DM-He
Статья опубликована в Physical Review Letters.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.181303
Глава 11-14-5
Прецессия спина электрона поможет найти аксионы
Июль 2018
Физики-теоретики из Университета Брауна предложили новый способ поиска аксионов, который основан на прецессии спина электронов — ученые показали, что в присутствии аксионов сильное электрическое поле ведет себя аналогично магнитному и заставляет спины частиц поворачиваться. В экспериментах такого типа флуктуации внешних магнитных полей не будут существенно сказываться на результатах. Статья опубликована в Physical Review D и находится в свободном доступе.
Аксионы оказались хорошим кандидатом на роль темной материи — они практически не взаимодействуют с частицами Стандартной модели и имеют массу, хотя и очень маленькую. Правда, наряду с аксионами могут существовать и другие легкие частицы с похожими свойствами, которые не имеют отношения к сохранению CP-инвариантности, но естественным образом возникают в теории струн. В основном поиски полагаются на тот факт, что включение аксионов в Стандартную модель модифицирует уравнения Максвелла и добавляет к ним новое взаимодействие, пропорциональное произведению напряженностей электрического и магнитного поля. Это позволяет экспериментаторам построить «радио для темной материи», в котором вероятность распада аксиона увеличивается за счет настройки резонансной частоты магнитной полости, или использовать другие магнитные эффекты.
В новой статье физики-теоретики Стефон Александр (Stephon Alexander) и Роберт Симс (Robert Sims) предложили принципиально новый способ детектирования аксионов, основанный на их непосредственном взаимодействии с электронами. Для простоты ученые рассмотрели простейшую модель связи между электромагнитным и аксионным полем, включающую в себя один дополнительный бозон Хиггса (extra Higgs singlet).
К преимуществам предложенного метода можно отнести тот факт, что прецессия электронов регулируется в нем величиной электрического поля, а не магнитного — а следовательно, колебания внешних магнитных полей, которые обычно мешают измерить тонкие эффекты, будут меньше сказываться на результатах. Авторы предполагают, что эти поля даже не придется подавлять, чтобы увидеть прецессию. Тем не менее, ученые отмечают, что тепловые флуктуации также будут поворачивать спины электронов в случайных направлениях и мешать измерить прецессию, а потому предполагаемую экспериментальную установку надо будет охлаждать до очень низкой температуры.
На протяжении последних двадцати лет внимание физиков было сосредоточено на тяжелых частицах темной материи (вимпах, WIMP), имеющих
