Эксперимент по обнаружению аксионов и темных фотонов принес первые результаты

Устройство под названием Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD, буквально — «ХЛЕБ») разработали специалисты из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб) и Чикагского университета (UChicago). В коллаборацию также входят Аргоннская (ANL), Ливерморская (LLNL) национальные лаборатории, Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Центр космических полетов имени Годдарда (GSFC).

Прибор представляет собой металлический цилиндр с параболическим зеркалом внутри, тоже металлическим. Его задача — сфокусировать на детекторе в торце цилиндра фотоны (обычные), возникающие в результате маловероятных, но возможных взаимодействий частиц темной материи с постоянным магнитным полем или стенками самого прибора. Теоретически так должны поступать темные фотоны или аксионы.

Устройство BREAD рассчитано таким образом, чтобы только фотоны определенной энергии имели наибольшие шансы попасть на детектор. Его роль могут сыграть разные чувствительные элементы или приборы — антенна, болометр либо детектор единичных фотонов. Какой из них будет установлен в эксперименте, зависит только от диапазона энергий искомых частиц темной материи. Дизайн установки подразумевает широкие возможности по регулировке рабочего диапазона, это ее сильная сторона.

Опубликованная в рецензируемом журнале Physical Review Letters статья описывает методику и результаты первого из серии запланированных экспериментов. В нем использовали уменьшенную версию BREAD диаметром всего 40 сантиметров.

Установку разместили в экранированном помещении в подвале Чикагского университета. Впервые BREAD работал продолжительное время — данные собирали на протяжении 24 дней. Поскольку охлаждение не применялось, исследователи искали только темные фотоны в диапазоне энергий от 44 до 52 микроэлектронвольт. И, естественно, не нашли.

Схема экспериментальной установки BREAD / © https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.131004

Обнаружение частиц темной материи на этом этапе работы BREAD было бы огромным сюрпризом для всех. И, скорее всего, послужило бы свидетельством ошибки в устройстве эксперимента.

Пока что собранный американскими физиками прибор лишь доказал свою принципиальную работоспособность и отсутствие темных фотонов в узком диапазоне энергий.

Цель коллаборации BREAD — создание сравнительно дешевого широкополосного детектора частиц темной материи, чего ранее сделать не получалось. Первые настоящие научные результаты от установки можно ожидать в ближайшем будущем, когда 40-сантиметровый цилиндр поместят в модифицированный магнит от магнитно-резонансного томографа и охладят до криогенных температур.

В таком варианте прибор теоретически будет способен улавливать, помимо темных фотонов, аксионы. Если и этот эксперимент пройдет по плану, увеличенную версию BREAD построят в Фермилабе.