Охота за темной материей: Российский проект CASH бросает вызов квантовому пределу
Консорциум ведущих российских физиков из крупнейших научных центров Москвы, Сарова, Нижнего Новгорода и Санкт-Петербурга представил масштабный проект по поиску аксионов — гипотетических частиц, которые считаются главными претендентами на роль темной материи. Новая экспериментальная установка, получившая название CASH (Cosmological Axion Sarov Haloscope), будет оснащена уникальными однофотонными детекторами на базе джозефсоновских переходов. Это технологическое решение позволит преодолеть стандартный квантовый предел чувствительности и исследовать диапазоны масс, ранее недоступные для науки. Результаты работы и детальное описание проекта опубликованы в престижном научном издании Physical Review D.
Современная наука утверждает: видимая нами материя — звезды, планеты и туманности — составляет лишь малую часть Вселенной. Более 80% массы космоса приходится на загадочную темную материю, обнаружить которую до сих пор удавалось лишь по косвенным гравитационным признакам. Одной из наиболее стройных гипотез, объясняющих эту субстанцию, является теория аксиона. Эти сверхлегкие частицы почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в присутствии мощного магнитного поля они способны превращаться в фотоны. Именно это «световое эхо» и стремятся зафиксировать ученые с помощью галоскопов.
Традиционные методы поиска напоминают попытку расслышать едва уловимый шепот в шумном помещении. Исследователи используют специальные резонаторы, которые усиливают сигнал на определенной частоте, соответствующей массе аксиона. Проблема заключается в том, что точная масса частицы неизвестна, а сами приборы генерируют тепловой и квантовый шум, заглушающий искомый сигнал. Проект CASH предлагает революционный подход к решению этой фундаментальной проблемы.
Вместо того чтобы усиливать слабый сигнал вместе с шумами, российские физики решили использовать систему прямого счета одиночных фотонов. Детектор на основе джозефсоновского перехода мгновенно реагирует на появление даже одного кванта света, меняя свои электрические свойства. Это позволяет полностью исключить шум усилительной аппаратуры. Чувствительность системы в таком режиме ограничена лишь крайне редкими ложными срабатываниями — российские разработки уже демонстрируют стабильность, превосходящую мировые аналоги в десятки раз.
«Мы совершаем качественный технологический скачок. Традиционные галоскопы неизбежно сталкиваются с барьером квантовых шумов при усилении сигнала. Наш метод — это не усиление, а прямая регистрация. Детектор обладает достаточной прецизионностью, чтобы зафиксировать рождение единственного фотона из аксиона, позволяя нам заглянуть в области физики, которые ранее считались недосягаемыми», — поясняет Дмитрий Горбунов, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ.
Дорожная карта CASH включает два этапа. На первой стадии (CASH-I) будет использована статичная медная полость и магнит силой 1.7 Тесла, что уже позволит превзойти по чувствительности текущие мировые эксперименты в выбранном диапазоне. Второй этап (CASH-II) предполагает внедрение магнита на 10 Тесла и системы перестройки частоты. Это откроет возможность для сканирования масс аксионов от 38 до 54 микроэлектронвольт, где, согласно теоретическим моделям, вероятность обнаружения темной материи наиболее высока.
Уникальность проекта также заключается в экстремальной криогенной защите: установка будет функционировать при температурах порядка 10–20 милликельвинов, что практически полностью нейтрализует тепловое излучение. Успех CASH не только подтвердит существование аксионов, но и станет первым в истории прямым свидетельством природы темной материи. Даже в случае отрицательного результата ученые смогут исключить целый пласт теоретических моделей, сузив круг поиска фундаментальных основ мироздания.
Научный первоисточник: Andrey L. Pankratov, Pavel A. Belov, Eduard E. Boos, et al. Search for dark-matter axions beyond the quantum limit: the Cosmological Axion Sarov Haloscope (CASH) Phys. Rev. D 112, 035003 — 2025. DOI: 10.1103/rq2s-5f18
