Ученые пришли к выводу, что аксионы могут превращаться в фотоны в магнитном поле

Современная физика сталкивается с двумя фундаментальными проблемами, имеющими глубокие корни в теории элементарных частиц и космологии: нарушением CP-инвариантности в сильных взаимодействиях и существованием тёмной материи, составляющую значительную долю массы Вселенной. Недавно возникла гипотеза, предполагающая возможность их общего объяснения. В центре этой гипотезы находится аксион — предполагаемая элементарная частица, обладающая уникальными свойствами, способными пролить свет на обе эти загадки. Об этом сообщает информационный ресурс ab-news.

Теоретические характеристики аксионов и их обоснование

Аксионы были изначально предложены в рамках теоретических моделей, направленных на разрешение проблемы CP-инвариантности в сильных ядерных взаимодействиях. Впоследствии было установлено, что их свойства удовлетворяют требованиям, предъявляемым к частицам тёмной материи. Предполагается, что аксионы характеризуются чрезвычайно малой массой и настолько слабо взаимодействуют с обычным веществом, что их экспериментальное обнаружение представляет собой чрезвычайно сложную задачу.

Одним из ключевых свойств аксионов является их способность к спонтанному преобразованию в фотоны в присутствии сильного магнитного поля. Эта особенность легла в основу разработки специализированных экспериментальных установок, известных как аксионные галоскопы, предназначенных для регистрации сверхслабых сигнатур, возникающих в результате этого процесса.

Экспериментальная программа итальянской исследовательской группы QUAX

Итальянская исследовательская группа QUAX осуществляет систематическое изучение высокочастотного диапазона, где масса аксионов может превышать 40 микроэлектронвольт. Этот диапазон приобрёл особую актуальность в свете последних обновлений теоретических моделей аксионов.

Экспериментальная методика группы QUAX основана на использовании медного микроволнового резонатора, помещённого в интенсивное магнитное поле, что создаёт условия для индуцированного преобразования аксионов в фотоны. Регистрируемые сигнатуры фиксируются квантово-ограниченными усилителями и специализированными антенными системами.

Ввиду неопределённости точной массы аксиона, исследователи проводят последовательное сканирование частотного диапазона путём варьирования объёма резонатора и анализа фонового шума для выявления статистически значимых аномалий.

Достижения и технологические инновации

Результаты последнего эксперимента группы QUAX не подтвердили существование аксионов, однако стали важным этапом в развитии методик их поиска. Исследователи продемонстрировали высокую чувствительность частично автоматизированной системы, особенно в высокочастотном диапазоне, который ранее считался технически недоступным.

Успех этого эксперимента открывает перспективы для создания полностью автономного галоскопа, способного обеспечивать длительные наблюдения в диапазоне частот выше 10 ГГц. Даже в случае отрицательных результатов, полученные данные исключают ряд гипотетических моделей и уточняют параметры возможного существования аксионов.

Значение поиска аксионов для современной науки

Обнаружение аксионов имело бы основополагающее значение для физики, поскольку могло бы одновременно решить проблему нарушения CP-инвариантности в сильных взаимодействиях и предоставить первое экспериментальное подтверждение природы тёмной материи. Подтверждение существования этой гипотетической частицы могло бы стать ключевым этапом в понимании фундаментальных свойств Вселенной.

Деятельность группы QUAX иллюстрирует важность методического подхода к поиску новых элементарных частиц. Постоянное повышение чувствительности экспериментальных установок и расширение исследуемого частотного диапазона создают предпосылки для будущих открытий, приближая науку к решению одной из наиболее значимых проблем современной космологии.