Учёные в Гамбурге использовали ускоритель для исследования аксионов через титановую стену

Исследователи Оксфордского университета в сотрудничестве с коллегами провели экспериментальное исследование гипотетических аксионов, используя Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL) в Гамбурге. Результаты их работы могут приблизить нас к пониманию загадки тёмной материи.

Аксионы представляют собой теоретически предполагаемые частицы, предложенные с целью объяснения загадки в физике элементарных частиц: почему нейтроны, несмотря на наличие заряженных кварков, не имеют электрического дипольного момента. Считается, что эти мелкие и лёгкие частицы могут корректировать этот дисбаланс. Кроме того, аксионы рассматриваются как вероятный кандидат на роль тёмной материи — таинственной субстанции, формирующей основную часть структуры Вселенной.

В своём эксперименте учёные применили наиболее мощный в мире рентгеновский лазер — European XFEL. Этот комплекс включает 3,4-километровый туннель с линейным сверхпроводящим ускорителем и фотонными пучками, способными создавать ультракороткие рентгеновские вспышки с частотой 27 000 раз в секунду.

Метод эксперимента заключался в «просвечивании стен». Рентгеновские лучи следовали через тонкие пластины специально развернутых кристаллов германия с сильным внутренним электрическим полем. Для движущихся частиц это поле действует как мощное магнитное поле (примерно 1000 Тесла), что позволяет фотонам превращаться в аксионы и обратно.

Между кристаллами помещался титановый лист, выступавший заслоном для фотонов и допускавшим только аксионы. Последние детектировались, когда вновь преобразовывались в фотоны в кристалле на другой стороне.

Хотя в ходе данного исследования аксионы не были обнаружены, учёные доказали, что их аппаратурные установки обладают чувствительностью к аксионам, сравнимой с другими экспериментами на ускорителях. Это открывает путь для дальнейших экспериментов, нацеленных на изучение аксионов в диапазоне масс от милли- до килоэлектронвольт. Исследователи планируют повысить чувствительность в несколько сотен раз, чтобы обнаружить аксионы со свойствами, прогнозируемыми теорией квантовой хромодинамики.

Доктор Джек Холлидей из Совета по науке и технологиям Великобритании (STFC), ведущий автор исследования, подчеркнул универсальность применения технологии XFEL для решения сложнейших вопросов фундаментальной физики и расширения понимания структуры Вселенной.

Профессор Джанлука Грегори, руководитель проекта, отметил, что данное исследование стало результатом многолетнего взаимодействия различных отделов физического факультета Оксфордского университета. Он указал, что успешная интерпретация сложных измерений стала возможной благодаря опыту и компетенции объединённой команды.

Эти исследования не только иллюстрируют потенциал новых технологий в изучении фундаментальных физических вопросов, но и открывают перспективы в поиске тёмной материи. Пока аксионы остаются не обнаруженными, эксперимент значительно обогатил наши знания о методах их поиска и заложил основы для улучшенных, более чувствительных исследований в будущем.

Источник: iXBT