Учёные из Массачусетского технологического института представили первые результаты эксперимента по поиску аксионной тёмной материи. Эксперимент, направленный на обнаружение гипотетических частиц тёмной материи, использовал новую технику поиска аксионов с помощью настраиваемого оптического резонатора. Хотя результаты, опубликованные в Physical Review Letters, не привели к наблюдению сигналов, связанных с аксионами, они продемонстрировали потенциал новой методики для поиска этих частиц.
Эксперимент Axion Dark-Matter Bifringent Cavity (ADBC) начал собирать данные в 2022 году. Учёные использовали лазеры и оптические инструменты, обычно применяемые для обнаружения гравитационных волн, для поиска аксионов. Детектор, на котором основан эксперимент ADBC, состоит из 4 зеркал, расположенных так, чтобы сформировать оптическую полость, которая улавливает и рециркулирует световые лучи, исходящие от лазера.
Pandey, Hall, Evans
«Этот эксперимент был предложен в 2019 году в результате сотрудничества нашей лаборатории с коллегами из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института, когда мы размышляли о новых способах поиска гипотетической частицы тёмной материи, называемой аксионом. Ожидается, что любое наблюдаемое взаимодействие между аксионами и стандартной материей будет очень слабым. Мы поняли, что проблема поиска слабого сигнала очень похожа на проблему обнаружения гравитационных волн, которые являются ещё одним видом очень слабого сигнала, обнаруженного лишь недавно», — рассказал Эван Холл, научный сотрудник лаборатории LIGO Массачусетского технологического института.
После различных теоретических обсуждений и соображений Холл и его коллеги поняли, что лазеры и оптические инструменты, которые в настоящее время используются в эксперименте LIGO для обнаружения гравитационных волн, можно перепрофилировать для проведения поиска аксионов. Это дало начало эксперименту ADBC, который впервые начал собирать данные в 2022 году.
«Мы хотели экспериментально продемонстрировать, как использовать эти инструменты для поиска аксионов. Свет имеет две поляризации — горизонтальную и вертикальную. Аксионы, если они существуют, должны преобразовывать одну поляризацию в другую. В нашей лаборатории мы используем лазер для генерации вертикально поляризованного света и ищем любые намёки на то, что аксионы преобразовали часть этого света в горизонтальную поляризацию», — объяснил Холл.
Детектор, на котором основан эксперимент ADBC, состоит из 4 зеркал, расположенных так, чтобы сформировать оптическую полость (структуру, которая улавливает свет). Эта оптическая полость рециркулирует световые лучи, исходящие от лазера, тысячи раз, что усиливает слабые аксионные сигналы.
На первых этапах эксперимента Холл и его коллеги использовали детектор для поиска аксионов с массой около 50 нэВ. Другая исследовательская группа из Великобритании искала аксионы с массой около 2 нэВ, используя аппарат, похожий на тот, что используется в Массачусетском технологическом институте.
«Наша работа показала, что новый тип полости можно настроить так, чтобы расширить диапазон возможных масс аксионов, которые можно исследовать. В частности, мы показали, что полость можно настраивать, регулируя углы её четырёх зеркал. Настраиваемость является важным критерием для того, чтобы сделать аппарат полезным для поиска тёмной материи. Поскольку никто не знает, какой может быть масса аксиона, нам нужно проводить поиск в широком диапазоне возможных масс», — сказала Свадха Панди, аспирант четвёртого года обучения в Массачусетском технологическом институте.
Первые результаты эксперимента ADBC накладывают ограничения на связь аксионоподобных частиц и фотонов. Хотя учёные не обнаружили аксионы, эти результаты лягут в основу дополнительных исследовательских усилий, направленных на обнаружение этих гипотетических частиц тёмной материи с использованием оптических полостей, потенциально способствуя их экспериментальному открытию.
«Следующим шагом станет создание более масштабного и чувствительного эксперимента. В таком эксперименте будет использоваться больше лазерного света, чтобы больше фотонов взаимодействовало с аксионами, и эксперимент будет масштабнее, чтобы увеличить время, в течение которого фотоны могут взаимодействовать с аксионами. Автоматизация механизма настройки и продуманные конструкции зеркальных покрытий также имеют важное значение для сканирования по всему доступному диапазону масс аксионов», — добавила Панди.