Никаких следов, но прорыв: пятилетний эксперимент HAYSTAC сузил границы поиска аксионов

Коллаборация HAYSTAC, объединяющая учёных из Йельского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Джонса Хопкинса, представила результаты второй фазы эксперимента по поиску аксионов — гипотетических частиц, которые могут составлять тёмную материю. Несмотря на отсутствие статистически значимых сигналов, исследователям удалось установить новые пределы для взаимодействия аксионов с фотонами и продемонстрировать эффективность квантовых технологий в этой области.

Аксионы, предложенные в 1970-х годах для объяснения загадки отсутствия нарушения CP-симметрии в квантовой хромодинамике, сегодня рассматриваются как ключевые кандидаты на роль тёмной материи. Их слабое взаимодействие с обычной материей делает обнаружение крайне сложным. В эксперименте HAYSTAC Phase II использовался микроволновый резонатор в магнитном поле 8 Тл, где аксионы должны преобразовываться в фотоны. Для повышения точности учёные применили технологию квантового сжатия — метод, снижающий шумы ниже стандартного квантового предела. Это позволило увеличить скорость сканирования параметрического пространства на порядок.

В ходе второй фазы эксперимента (2019–2024 гг.) учёные сосредоточились на аксионах с массой от 16,96 до 19,46 микроэлектронвольт — это в миллиарды раз легче электрона. Главным итогом стало установление новых границ для силы взаимодействия аксионов с фотонами — параметра, обозначаемого как  g_γgγ. Если в модели KSVZ (одной из ключевых теорий) эта сила условно принята за единицу, то эксперимент HAYSTAC показал: реальное значение g_γgγ, если аксионы существуют, должно быть меньше 2,86 от предсказанного KSVZ. Проще говоря, гипотетические частицы взаимодействуют со светом ещё слабее, чем предполагали теоретики — это сужает зону поиска.

Важным достижением стало внедрение схемы CEASEFIRE, использующей запутанные резонаторы для ускорения поиска. Кроме того, в эксперименте впервые использовали усовершенствованные холодильные установки, работающие при экстремально низких температурах (около -273°C). Эти системы охлаждают оборудование до 60 милликельвинов — близко к абсолютному нулю — но при этом требуют меньше энергии и ресурсов по сравнению с традиционными аналогами. Это сократило расходы на поддержание условий, необходимых для точных измерений. Однако возникли непредвиденные сложности: вибрации тюнингового стержня ухудшали сжатие, а радиочастотные помехи и аномальные «провалы» мощности потребовали дополнительной фильтрации данных.

Учёные подчеркнули, что отсутствие сигнала не опровергает теорию аксионов, а сужает зону поиска. В планах коллаборации — создание эксперимента ALPHA для обнаружения более массивных аксионов, а также внедрение однофотонных детекторов на атомах Ридберга. Эти разработки, вместе с резонаторами на сверхпроводящих метаматериалах, могут в перспективе перевести поиск тёмной материи на новый уровень.

 Источник: Physical Review Letters