Учёные из Оксфордского университета и их коллеги провели эксперимент по поиску гипотетических частиц аксионов на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (European XFEL) в Гамбурге. Результаты исследования могут приблизить учёных к разгадке тайны тёмной материи.

Аксионы – это гипотетические частицы, предложенные для решения проблемы в физике частиц: почему нейтроны, состоящие из заряженных кварков, не обладают электрическим дипольным моментом. Предполагается, что эти крошечные и лёгкие частицы могут «компенсировать» этот дисбаланс. Кроме того, аксионы рассматриваются как естественный кандидат на роль тёмной материи – загадочной субстанции, составляющей большую часть структуры Вселенной.

Для поиска аксионов учёные использовали самый мощный в мире рентгеновский лазер – European XFEL. Это сооружение включает в себя 3,4-километровый туннель со сверхпроводящим линейным ускорителем и фотонными пучками, способными генерировать сверхкороткие рентгеновские вспышки с частотой 27 000 раз в секунду.

Фотография экспериментального зала, показывающая камеру взаимодействия с мишенью слева, вакуумную трубку для сбора и детектор справа. Фото: Gianluca Gregori

Эксперимент проводился по методу «просвечивания сквозь стены». Рентгеновские лучи направлялись через тонкие пластины точно ориентированных кристаллов германия с интенсивным внутренним электрическим полем. Для движущихся частиц это электрическое поле выглядит как сильное магнитное поле (около 1000 Тесла), что позволяет фотонам превращаться в аксионы и обратно.

Между кристаллами был помещён титановый лист, служащий барьером для фотонов и пропускающий только искомые аксионы. Затем эти частицы обнаруживались, когда они снова превращались в фотоны в кристалле с другой стороны.

Хотя в этом исследовании аксионы не были обнаружены, учёные продемонстрировали, что их установка обладает чувствительностью к аксионам, уже сопоставимой с другими экспериментами на ускорителях частиц. Это открывает путь для будущих экспериментов, в которых исследователи сосредоточатся на аксионах в диапазоне масс от милли- до килоэлектронвольт. Они планируют улучшить чувствительность в несколько сотен раз, чтобы иметь возможность обнаружить аксионы со свойствами, предсказанными теорией квантовой хромодинамики.

Ведущий автор исследования, доктор Джек Холлидей из Совета по науке и технологиям Великобритании (STFC), подчеркнул универсальность технологии XFEL в решении самых сложных вопросов фундаментальной физики и расширении границ понимания Вселенной.

Профессор Джанлука Грегори, главный исследователь проекта, отметил, что это исследование стало кульминацией многолетнего сотрудничества между различными отделами физического факультета Оксфордского университета. Он подчеркнул, что эксперимент требовал сложной интерпретации нестандартных измерений, и именно благодаря широкой экспертизе, объединённой командой, удалось успешно решить эту задачу.

Это исследование не только демонстрирует потенциал новых технологий в изучении фундаментальных вопросов физики, но и открывает новые горизонты в поиске тёмной материи. Хотя аксионы пока не обнаружены, эксперимент значительно продвинул понимание методов их поиска и заложил основу для будущих, ещё более чувствительных экспериментов.

Подробнее на iXBT