Научный проект базируется на широкополосном отражателе для обнаружения аксионов (BREAD). Разработали это оборудование в бочкообразном корпусе сотрудники Чикагского университета и Лаборатории Fermilab Министерства энергетики США. Участники сразу же пояснили, что пока не выявили частиц тёмной материи. Однако это ещё не отрицательный результат. Напротив, первые выводы уточнили и сузили круг характеристик, которых следует ожидать от предполагаемых частиц. Более того, эксперимент в рамках BREAD привёл к средству, перспективному при поисках тёмной материи — относительно недорогому и компактному.
BREAD использует «широкополосный» подход для поиска гипотетических частиц тёмной материи, называемых аксионами, и связанных с ними так называемых тёмных фотонов. Утверждается, что на этом пути науку ждут больше возможностей, чем в прочих экспериментах, хотя и с несколько меньшей точностью.
Дэвид Миллер из Чикагского университета — один из руководителей проекта BREAD. Он сказал, что поиск тёмной материи можно сравнить с настройкой радиоволн, когда на приёмнике вращают круглую ручку, перемещая по шкале указатель. Вот только для такого поиска надо проверить, предположительно, миллион «частот». Так вот, BREAD подобен тщательному сканированию 100 тысяч радиостанций, а не нескольких.
Тёмная материя представляет огромную проблему для учёных. Да, она должна составлять около 85% вещества во Вселенной, и её влияние предотвращает разлёт галактик при их вращении. Однако физики плохо представляют, из чего именно она состоит.
Отчасти это связано с тем, что тёмная материя фактически невидима. Такое впечатление, что она не взаимодействует со светом, не испуская и не отражая фотоны. Отсутствие электромагнитного взаимодействия предполагает, что тёмная материя не состоит из протонов, нейтронов и электронов, которые составляют объекты из «нормальной материи», такие как звёзды, планеты, луны, наши тела и кошки по соседству.
Но как идея о том, что мы её не видим, но она есть, вообще пришла в головы учёных? Хотя телескопы не могут обнаружить тёмную материю непосредственно, это вещество влияет на звёзды, галактики и даже на свет через своё взаимодействие с гравитацией. Таким образом, астрономы могут сказать: «Там что-то есть!». Но они «всего лишь» не знают, что это такое. Знать, что искать, и понимать, где именно искать — это совсем разные вещи.
Мы уверены, что там что-то есть, но это может принимать много-много форм
— Дэвид Миллер, соруководитель проекта BREAD.
— Дэвид Миллер, соруководитель проекта BREAD.
Путаница эта отправила учёных к охоте за различными частицами со странными свойствами, которые могли бы составлять тёмную материю. Одним из таких кандидатов стал аксион — это опять-таки гипотетическая частица с чрезвычайно малой массой. Если аксионы существуют, то они могли бы взаимодействовать с так называемым тёмным фотоном точно так же, как обычная материя взаимодействует с обычными фотонами. При определённых обстоятельствах это взаимодействие, предположительно, может иногда приводить к созданию видимых фотонов.
Итак, BREAD — это коаксиальная (соосная) тарелочная антенна в форме изогнутой металлической трубки, которая может поместиться на столе. Прибор предназначен для улавливания фотонов, направления их к датчику и поиска подмножества возможных аксионов.
В ходе будущего полномасштабного эксперимента оборудование для BREAD подвергнут воздействию сильного магнитного поля, что, по словам учёных, увеличит шансы превращения аксонов в фотоны. В качестве доказательства самого принципа работы провели эксперимент с BREAD без магнитов, необходимых для создания этого поля.
Эксперимент проводили в Чикагском университете в течение месяца. Он привёл к интересным результатам, которые подпитали стремление учёных к полномасштабному исследованию. Испытания показали, что BREAD обладает высокой чувствительностью в перспективном диапазоне частот, для чего и был разработан.
Это только первый шаг в серии захватывающих экспериментов, которые мы планируем. У нас есть много идей по повышению чувствительности для нашего поиска аксионов
— Эндрю Зонненшайн, соруководитель BREAD и исследователь из Fermilab.
— Эндрю Зонненшайн, соруководитель BREAD и исследователь из Fermilab.
Проверка технологии также показала, что физикой элементарных частиц можно заниматься как на столе, так и в огромных ускорителях частиц. К последним относится Большой адронный коллайдер (LHC), расположенный на глубине 27 км под границей между Францией и Швейцарией.
На следующем этапе проекта BREAD аппарат доставят к магнитной установки Аргоннской национальной лаборатории, США. Кроме того, ещё ряд крупных научных учреждений страны вовлечены в BREAD и готовят свои эксперименты.
