Физики случайно наткнулись на аксион

Физик-теоретик Кристиан Бек уверен в том, что в 2004 году ученым удалось обнаружить частицы темной материи, причем не в глубинах Вселенной, а на нашей планете. Просто экспериментаторы сами не поняли, на что они наткнулись. По мнению Бека, тогда ими было подтверждено существование аксиона — одного из самых легких элементов темной материи.

Фото:

Следует заметить, что те, кто занимается поиском частиц темной материи, до сих пор не могут похвастаться особенными успехами. Достоверно подтвержденным является лишь существование фермиона Майораны, однако входит ли эта частица в состав именно темной материи, пока не совсем понятно. А что касается основных "темных" частиц, то есть вимпов, то пока достоверных результатов по их поимке нет — все сообщения об обнаружении впоследствии при более скрупулезной проверке результатов экспериментов оказались несколько преждевременными.

Тем не менее недавно физик-теоретик из Кембриджского университета (Великобритания) Кристиан Бек сообщил о том, что судя по всему, ученые уже подтвердили существование самой легкой частицы темной материи, просто сами не поняли этого. Речь идет об аксионах — электрически нейтральных частицах, наличие которых было предсказано еще в 1977 году физиками Роберто Печчеи и Хелен Куинн. Правда, тогда о темной материи еще и речи никакой не шло — этот аксион понадобился теоретикам для того, что бы объяснить нарушение CP-инвариантности (под этим сложным термином подразумевается невозможность даже теоретической замены всех имеющихся в мире частиц на античастицы с сохранением при этом фундаментальных законов физики. — Ред.).

Согласно расчетам, аксион должен представлять собой частицу весьма малой массы, которая при этом практически не взаимодействует с барионами и электронами, то есть с частицами, составляющими обычное вещество. Эти-то свойства и "привели" позже аксион в дружную семью частиц, которые, по представлениям ученых должны составлять темную материю — ведь именно с обычным веществом они-то взаимодействуют очень и очень плохо. Ну, а в начале нынешнего века начались экспериментальные поиски доказательств существования аксиона.

Однако каким же образом можно найти эту неуловимую частицу? Ведь если она почти не взаимодействует с веществом, то напрямую его не сможет выявить ни один детектор! Однако можно пойти другим путем — известно, что под действием магнитного поля аксион распадается на два фотона, появление которых детекторы вполне могут зарегистрировать. Значит, нужно просто посмотреть, в каком именно энергетическом диапазоне во время опытов на различных ускорителях появлялось аномально большое число фотонов — это и будет доказательством того, что в эксперименте, помимо основных частиц, незримо присутствовали аксионы.

Подобные исследования проводились в 2003–2004 годах, а также в 2006 году, как в лабораториях ЦЕРНа, так и в Ливерморской национальной лаборатории (США), однако статистически достоверных доказательств существования аксионов ученые тогда не получили. Однако Кристиан Бек считает, что в 2004 году эти частицы все-таки были обнаружены — правда, в другом эксперименте, в котором физик Кристоф Хоффман и соавторы изучали разные виды шумов в джозефсоновских переходах. Напомню, что джозефсоновскими переходами называют устройство, состоящее из пары сверхпроводников, которые разделены между собой слоем изолятора. Следует заметить, что этот прибор довольно широко используются в экспериментальной науке уже сегодня и совсем не являются какой-то экзотикой — с его помощью было уже поставлено множество различных интересных опытов.

Эксперимент же группы Хоффмана базировался на следующем свойстве данной установки: известно, что сверхпроводники, входящие в ее состав, постоянно обмениваются парами электронов через разделяющую их область с частотой, называемой джозефсоновской. Ученые хотели понять, насколько точно можно регистрировать подобные обмены. И вот, анализируя результаты эксперимента, они обнаружили, что в районе 0,11 мэВ постоянно возникали странные "шумы" — регистрировалось большое количество фотонов. Которые неизвестно откуда появлялись, да и сам процесс переноса электронных пар при этом без видимой причины резко учащался.

Тогда ни сам Кристоф Хоффман, ни его коллеги не смогли объяснить, что было причиной возникновения подобного "шума". А вот Кристиан Бек, похоже, понял в чем тут дело — согласно его расчетам, если джозефсоновская частота совпадет с массой аксиона, то в момент, когда последний войдет в изолятор между парой сверхпроводников, получится резкий "пик" фотонов, а также скачок в регистрации обмена электронными парами между сверхпроводниками. Таким образом, все это безобразие, по мнению доктора Бека, устроили именно аксионы. Он также отметил, что эксперимент группы Хоффмана помог установить и массу данной частицы — она должна быть где-то в районе 0,11 мэВ, то есть, получается, что аксион где-то в в 200 миллиардов раз легче, чем электрон.

Итак, выходит, что одну частицу темной материи ученым все-таки удалось обнаружить. Правда, как считает Кристиан Бек, для получения более достоверных доказательств, нужно провести еще несколько экспериментов с джозефсоновскими переходами, которые при этом должны быть защищены различными видами экранирования. Эти экраны вряд ли смогут задержать аксионы, однако они помогут исключить воздействие всех посторонних шумов вроде микроволн. И если и в этих экспериментах будет возникать неожиданный "пик" в районе 0,11 мэВ, то можно будет с уверенностью сказать, что ученым наконец-то удастся вплотную соприкоснуться с загадочной темной материей…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"