Весит больше, чем звёзды: команда российских физиков создала установку для поиска тёмной материи

Если собрать все объекты, которые мы можем видеть — звёзды, планеты, пыль, газ, галактики, — и взвесить, окажется, что на долю "обычного" вещества приходится лишь 15% массы Вселенной. Остальное — это нечто невидимое, что астрономы называют тёмной материей.

Мы не можем её увидеть, потрогать или зарегистрировать напрямую. Но мы чувствуем её присутствие: она искривляет свет звёзд, ускоряет вращение галактик и влияет на крупномасштабную структуру космоса.

С тех пор как в 1930-х годах астроном Фриц Цвикки впервые предположил существование невидимого вещества, учёные пытаются понять, что оно собой представляет. Среди множества гипотетических кандидатов — аксионы, удивительные частицы, которые могут оказаться ключом к одной из самых глубоких загадок физики.

Что такое аксион и почему он важен

Аксион — это предсказанная, но пока не обнаруженная элементарная частица, появившаяся в теоретической физике в конце 1970-х годов. Её придумали, чтобы решить другую головоломку — почему сильное взаимодействие, одно из четырёх фундаментальных, не нарушает симметрию, как ожидалось.

Но вскоре оказалось, что аксионы могли бы выполнять ещё одну роль: быть основной составляющей тёмной материи.

Их особенность в том, что они должны иметь чрезвычайно малую массу и почти не взаимодействовать с обычными частицами. Это делает их идеальными "тенями" космоса: всюду присутствуют, но ускользают от всех наблюдений.

Чтобы поймать такую частицу, нужен инструмент, способный услышать буквально один-единственный квант света, рождающийся в глубине сверхпроводника под действием магнитного поля. Именно таким инструментом и стал CASH — Космологический Аксионный Саровский Галоскоп.

От кавитонов до фотонов: как работает галоскоп

Термин галоскоп (от англ. haloscope) придумали физики из США ещё в 1980-х годах. Это прибор, способный искать аксионы в "галo" — гало тёмной материи, окружающем галактику. Принцип работы основан на квантовом эффекте:

В мощном магнитном поле аксионы с некоторой вероятностью могут превращаться в фотоны — кванты света.

Если поместить в это поле резонаторную полость, на частоте, соответствующей массе аксиона, можно зарегистрировать слабый сигнал. Обычно такие сигналы чрезвычайно малы — они теряются в шуме традиционных усилителей.

Но команда российских исследователей из Москвы, Сарова, Санкт-Петербурга и Нижнего Новгорода пошла другим путём. Их установка не усиливает сигнал, а считает отдельные фотоны, используя джозефсоновские переходы - сверхпроводящие структуры, способные фиксировать квантовые флуктуации света.

Каждый раз, когда фотон попадает в переход, тот мгновенно меняет своё состояние, что можно измерить. И если фотон действительно родился из аксиона, учёные это увидят.

Почему метод "счёта фотонов" — революция

В классических экспериментах по поиску аксионов (например, в американском ADMX) физики измеряют слабые радиосигналы, усиливая их микроволновыми усилителями. Но даже лучшие усилители создают собственный квантовый шум, который ограничивает чувствительность — это так называемый стандартный квантовый предел.

Группа российских физиков предложила радикально иной подход: избавиться от усилителей вообще.

Джозефсоновский переход, по сути, выступает как счётчик одиночных фотонов. Его сверхпроводящее состояние разрушается при попадании кванта света, и прибор "щёлкает" один раз. Ошибка при этом почти исключена:

• вероятность ложного срабатывания — менее одного события на 100 секунд;

• энергия фиксируется напрямую, без промежуточных шумовых стадий.

Такой принцип позволил обойти стандартный квантовый предел и выйти на новый рекорд чувствительности в диапазоне масс аксионов, который раньше оставался "тёмным пятном" на карте поисков.

CASH-I: первый этап большого пути

Первый прототип установки, CASH-I, использует фиксированную медную резонаторную полость и магнит с полем 1,7 Тесла — примерно в 30 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли.

Учёные планируют работать в сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы свести тепловые шумы к минимуму. За 12 дней непрерывных измерений на одной частоте они рассчитывают превзойти текущие мировые пределы чувствительности для своего диапазона масс.

Каждая новая настройка частоты означает поиск аксионов с другой массой. Постепенно, шаг за шагом, CASH будет "прослушивать" разные участки возможного спектра аксионов, как радиоприёмник, сканирующий неизвестную станцию во Вселенной.

Исторический контекст: от теории до эксперимента

Поиск аксионов — это гонка, растянувшаяся на десятилетия и континенты.

• В 1983 году американский физик Пьер Сиккивич предложил идею галоскопа.

• В 1996-м в Сиэтле стартовал проект ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), который стал первым экспериментом, достигшим квантовой чувствительности.

• В Европе идут проекты QUAX и MADMAX, использующие ферромагнитные резонаторы и сверхмощные магниты.

• А теперь к ним присоединяется Россия со своим оригинальным решением — CASH, объединившим сверхпроводниковую электронику и квантовую оптику.

Важно, что CASH — не просто эксперимент, а часть новой волны российских исследований в квантовой физике и космологии. Участие сразу нескольких научных центров, включая Саров, где традиционно развиваются технологии высокой точности, придаёт проекту стратегическое значение.

Что даст обнаружение аксиона

Если аксионы действительно существуют, их открытие станет одним из крупнейших достижений физики XXI века. Это подтвердит не только гипотезу о природе тёмной материи, но и фундаментальные аспекты Квантовой хромодинамики (QCD) — теории сильного взаимодействия.

Практические последствия трудно переоценить:

• уточнение космологических моделей;

• новые методы управления квантовыми состояниями;

• возможные технологии на основе сверхтонких квантовых сенсоров.

В более широком смысле — это шаг к пониманию структуры самой Вселенной и происхождения её "невидимой массы".

Как CASH вписывается в мировую науку

Мировая карта поиска аксионов сегодня напоминает мозаичную сеть из десятков проектов. У каждого — свой диапазон масс, своя техника, свой подход. CASH заполняет один из пробелов, исследуя область масс порядка нескольких микровольт, где пока почти никто не работал.

Это значит, что даже если другие эксперименты не найдут аксионов, российская установка всё равно внесёт огромный вклад — она сможет исключить часть параметров и тем самым сузить поиск.

Кроме того, разработанные в рамках проекта джозефсоновские детекторы могут применяться и в других областях — например, в квантовых вычислениях и радиационной астрономии.

FAQ: о чём спрашивают чаще всего

Что такое аксион простыми словами?
Это гипотетическая частица, которая может составлять тёмную материю — невидимую массу, удерживающую галактики от распада.

Почему её так трудно обнаружить?
Аксионы почти не взаимодействуют с обычным веществом и излучением, их сигналы чрезвычайно слабы.

Что делает установка CASH?
Она создаёт мощное магнитное поле и фиксирует редкие случаи, когда аксионы превращаются в фотоны. Система считывает эти фотоны с помощью сверхчувствительных джозефсоновских переходов.

Почему отказались от усилителей?
Любое усиление вносит квантовый шум. CASH считает одиночные фотоны напрямую, что даёт чистый сигнал и рекордную чувствительность.