Свет сквозь стену: ученые продвинулись в понимании методов поиска темной материи

Ученые, работающие над экспериментом Dark SRF в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми Министерства энергетики США, продемонстрировали беспрецедентную чувствительность экспериментальной установки, используемой для поиска теоретически возможных частиц, называемых темными фотонами.

Исследователи удерживали обычные безмассовые фотоны в устройствах, называемых сверхпроводящими радиочастотными резонаторами, для поиска перехода этих фотонов в их гипотетические аналоги из темного сектора. Эксперимент позволил установить наилучшее в мире ограничение на существование темного фотона в определенном диапазоне масс, о чем недавно был опубликован материал в журнале Physical Review Letters.

Темный фотон — это копия, похожая на известный нам фотон, но с некоторыми отличиями, — говорит Рони Харник, научный сотрудник Центра сверхпроводящих квантовых материалов и систем при Фермилабе и соавтор данного исследования.

Свет, который позволяет нам видеть обычную материю в нашем мире, состоит из частиц, называемых фотонами. Но обычная материя составляет лишь малую часть всей материи. Наша Вселенная заполнена неизвестной субстанцией, называемой темной материей, которая составляет 85% всей материи. Стандартная модель, описывающая известные частицы и силы, является неполной.

В самом простом варианте теоретиков один неоткрытый тип частиц темной материи мог бы объяснить всю темную материю во Вселенной. Однако многие ученые подозревают, что темный сектор во Вселенной состоит из множества различных частиц и сил, одни из которых могут иметь скрытые взаимодействия с частицами и силами обычной материи.

Подобно тому, как у электрона есть копии, отличающиеся друг от друга, в том числе мюон и тау, темный фотон будет отличаться от обычного фотона и обладать массой. Теоретически, после получения фотоны и темные фотоны могут превращаться друг в друга с определенной скоростью, задаваемой свойствами темного фотона.

Инновационное использование SRF-полостей

Для поиска темных фотонов исследователи проводят экспериментпод названием «свет сквозь стену». Для обнаружения превращения обычного фотона в фотон темной материи используются две полые металлические полости. В одной полости ученые хранят обычные фотоны, а другую полость оставляют пустой. Затем ученые отслеживают появление фотонов в пустой полости.

Исследователи Фермилаба, работающие в Центре SQMS, имеют многолетний опыт работы с SRF-полостями, которые используются в основном в ускорителях частиц. Теперь сотрудники Центра SQMS стали использовать SRF-полости для других целей, таких как квантовые вычисления и поиск темной материи, благодаря их способности хранить и использовать электромагнитную энергию с высокой эффективностью.

Мы искали другие области применения сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, и я узнал об этих экспериментах, в которых два медных резонатора используются рядом друг с другом для проверки света, проходящего сквозь стену, — сказал Александр Романенко, руководитель направления квантовых технологий Центра SQMS.

Мне сразу стало ясно, что с помощью SRF-полостей мы сможем добиться большей чувствительности, чем с помощью полостей, использовавшихся в предыдущих экспериментах.

Этот эксперимент является первой демонстрацией использования SRF-полостей для проведения эксперимента по просвечиванию стен.

SRF-полости, используемые Романенко и его сотрудниками, представляют собой полые куски ниобия. При охлаждении до сверхнизких температур эти полости очень хорошо сохраняют фотоны, или пакеты электромагнитной энергии. Для эксперимента Dark SRF ученые охладили полости SRF в ванне с жидким гелием до температуры около 2 К, близкой к абсолютному нулю.

При такой температуре электромагнитная энергия легко проходит через ниобий, что делает эти полости эффективными для хранения фотонов.

Мы разрабатывали различные схемы, пытаясь справиться с новыми возможностями и проблемами, которые открывают высококачественные сверхпроводящие полости для эксперимента «свет сквозь стену», — сказал соавтор исследования Чжэнь Лю, член группы по физике и сенсорике Центра SQMS из Университета Миннесоты.

Теперь исследователи могут использовать резонаторы SRF с различными резонансными частотами, чтобы охватить различные части потенциального диапазона масс темных фотонов. Это связано с тем, что пиковая чувствительность по массе темного фотона напрямую зависит от частоты обычных фотонов, хранящихся в одной из SRF-полостей.

Команда провела множество последующих и перекрестных проверок эксперимента, — сказал Лю, который занимался анализом данных и разработкой схемы проверки.

Полости SRF открывают много новых возможностей для поиска. Тот факт, что мы покрыли новые области параметров для массы темного фотона, показывает их успешность, конкурентоспособность и большие перспективы на будущее.

«Эксперимент Dark SRF проложил путь к новому классу экспериментов, проводимых в Центре SQMS, где эти полости с очень высоким коэффициентом добротности используются в качестве чрезвычайно чувствительных детекторов», — заключила Анна Грасселлино, директор Центра SQMS и соисполнитель эксперимента. „От поиска темной материи и гравитационных волн до фундаментальных тестов квантовой механики — эти самые высокоэффективные в мире резонаторы помогут нам обнаружить намеки на новую физику“.

21.07.2023