Коллаборация HAYSTAC, объединившая специалистов из Йельского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Джонса Хопкинса, озвучила итоги второй фазы эксперимента по поиску аксионов — теоретических частиц, составляющих тёмную материю. Несмотря на отсутствие значимых статистических сигналов, учёные смогли установить новые ограничения на взаимодействие аксионов с фотонами и подтвердить потенциал квантовых технологий в этой сфере.
Аксионы, впервые предложенные в 1970-х годах для объяснения аномалии с нарушением CP-симметрии в квантовой хромодинамике, сейчас рассматриваются как перспективные кандидаты на роль тёмной материи. Их слабое взаимодействие с обычным веществом делает обнаружение крайне сложным. В эксперименте HAYSTAC Phase II использовался микроволновый резонатор в магнитном поле 8 Тл, где аксионы должны трансформироваться в фотоны. Для повышения точности было применено квантовое сжатие — метод, позволяющий снизить шумы ниже стандартного квантового предела, что увеличило скорость сканирования параметрического пространства.
Во второй фазе эксперимента (2019–2024 гг.) акцент был сделан на аксионы с массой от 16,96 до 19,46 микроэлектронвольт — это на порядки легче электрона. Основным результатом стало установление новых границ для силы взаимодействия аксионов с фотонами, параметр которого, обозначаемый как gγgγ, в модели KSVZ задавался единицей. Эксперимент HAYSTAC показал, что реальная величина gγgγ, если аксионы существуют, должна быть менее 2,86 от предсказанного значений KSVZ. Проще говоря, если они и взаимодействуют со светом, то гораздо слабее, чем считалось прежде, что позволяет сузить область поиска.
Значимым успехом стало использование схемы CEASEFIRE, применяющей запутанные резонаторы для ускорения исследований. В эксперименте впервые использовали инновационные холодильные установки, способные функционировать при экстремально низких температурах (около -273°C). Эти системы охлаждают оборудование до 60 милликельвинов — практически до абсолютного нуля, но при этом требуют меньше энергии и ресурсов по сравнению с традиционными системами. Это позволило сократить затраты на поддержание необходимых для точных измерений условий. Однако возникли и непредвиденные проблемы: вибрация тюнингового стержня ухудшала сжатие, а радиочастотные помехи и неожиданные падения мощности потребовали дополнительной фильтрации данных.
Учёные акцентировали, что отсутствие сигналов не является опровержением теории аксионов, а скорее сужает круг поиска. В планах коллаборации создание эксперимента ALPHA для фиксации более массивных аксионов, а также внедрение однофотонных детекторов на атомах Ридберга. Эти разработки, наряду с резонаторами на сверхпроводящих метаматериалах, могут в будущем вывести поиск тёмной материи на новый уровень.
Источник: iXBT
