Охота на аксионы

Проект сверхчувствительного галоскопа CASH (Космологический аксионный саровский галоскоп) вошел в список важнейших научных достижений Национального центра физики и математики (НЦФМ) в 2025 году. Эта установка предназначена для поиска гипотетических частиц темной материи, на которую приходится около 85% всего вещества во Вселенной и, по разным оценкам, 20-30% ее общей массы (с учетом энергии, которая переводится в массу по знаменитой эйнштейновской формуле E=mc²). Темная материя не испускает электромагнитного излучения и взаимодействует с обычным миром только через гравитацию.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Совместная статья ученых из нескольких российских институтов с описанием проекта в 2025 году была опубликована в престижном научном журнале Physical Review D.

О разработке этой уникальной технологии и текущих результатах «Ъ-Наука» беседует с Петром Сатуниным, кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН, который работает в составе коллаборации российских физиков-теоретиков и экспериментаторов, развивающих в рамках научной кооперации НЦФМ концепцию этой установки. Накануне, 15 апреля, Петр Сатунин представил доклад о планах по использованию галоскопа на семинаре Объединенного института ядерных исследований. Наш разговор пойдет о том, как устроен этот инструмент и какие тайны Вселенной он поможет раскрыть.

— Еще сравнительно недавно мейнстримом считался поиск вимпов (WIMP) — тяжелых холодных частиц темной материи. А теперь фокус все больше смещается на поиски других кандидатов, в том числе аксионов. Почему именно они стали сейчас одними из главных «подозреваемых» и как они связаны с так называемой сильной CP-проблемой?

— Действительно, лет 10–15 назад было очень популярно считать, что частицы темной материи должны быть тяжелыми. Существовала концепция суперсимметрии, ученые искали такие частицы на Большом адронном коллайдере. Ожидалось, что легчайшая из суперсимметричных частиц естественным образом окажется частицей темной материи. Но в процессе работы коллайдера суперсимметричных частиц так и не нашли. С другой стороны, параллельно шли лабораторные поиски вимпов — например, в экспериментах с инертными газами ученые пытались зафиксировать их столкновения с тяжелыми частицами темной материи. Никаких достоверных результатов в итоге получено не было (были какие-то указания от эксперимента DAMA, которые позже «рассосались»).

Аксион был придуман еще раньше, в 1980-е годы, с совершенно другой целью — чтобы решить так называемую сильную CP-проблему в квантовой хромодинамике (КХД). Что это такое? В мире есть CPT-симметрия: зарядовое сопряжение (C), пространственная четность (P), то есть обращение пространства «лево—направо», и временная симметрия (T). Согласно CPT-теореме, все это вместе должно сохраняться. Суть в том, что в слабых взаимодействиях CP-симметрия (зарядовая и пространственная четность) может нарушаться.

Здесь возникает закономерный вопрос: почему вообще физикам так нужно это нарушение? Дело в фундаментальной космологической загадке — барионной асимметрии Вселенной (той самой «проблеме антиматерии»). Согласно теории Большого взрыва, изначально материя и антиматерия должны были родиться в строго равных количествах. Если бы частицы и античастицы вели себя абсолютно зеркально, они бы со временем полностью аннигилировали, оставив после себя лишь море фотонов. Чтобы материя «победила» и сформировала наблюдаемый мир, процессы с участием частиц и античастиц должны были протекать с небольшой разницей. Нарушение CP-четности — одно из обязательных условий для возникновения такого дисбаланса (так называемых условий Сахарова). Однако того нарушения, которое мы видим в слабых взаимодействиях, катастрофически не хватает, чтобы объяснить весь существующий объем материи. Физики надеялись найти недостающий источник асимметрии в других местах.

И вот в сильных взаимодействиях теоретически такое нарушение тоже возможно, но на практике параметр, который за него отвечает, имеет жесткое ограничение — порядка 10^-10, то есть практически ноль. Одно из элегантных теоретических решений этой проблемы заключалось во введении новой частицы — аксиона. Позже оказалось, что эта легкая частица является еще и отличным кандидатом на роль темной материи. Получается отличная мотивация: мы можем поймать сразу двух зайцев.

— Диапазон возможных масс и энергий, где можно обнаружить аксионы, огромен. Почему вы выбрали для своей установки именно ваш диапазон (от 38 до 54 микроэлектронвольт)? Он фундаментально наиболее вероятный или вы просто ищете «под фонарем», потому что там позволяют искать технологии?

— Действительно, масса аксиона — свободный параметр теории и огромный диапазон в 30 порядков от легких до ультралегких масс аксионов экспериментально не закрыт. Тем не менее есть множество теоретических работ, указывающих на диапазон масс от 1 до 100 микроэлектронвольт (на 10–12 порядков меньше массы электрона), на него и нацелено большинство прямых поисков. Однако даже такое «окно» остается широким, потому что поиск с помощью галоскопов позволяет сканировать лишь узкие полосы масс. Большая часть этого диапазона до сих пор не исследована. Наша установка как раз направлена на одну из таких неохваченных областей, и именно для ее сканирования мы используем сверхчувствительные детекторы на джозефсоновских контактах. Таким образом, здесь технология работает в связке с теоретическими предсказаниями, а не подменяет их.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Перейдем к самой установке. Что такое галоскоп и как он регистрирует частицы темной материи?

— Название происходит от слова «гало». Наша галактика имеет форму диска, но темная материя распределена вокруг нее в виде огромного шара — так называемого гало, в которое мы погружены. Мы пытаемся поймать частицы прямо из этого гало, отсюда и «галоскоп». Эту концепцию предложил бельгийский ученый Пьер Сикиви в 1983 году.

Принцип работы следующий: изначально аксионы взаимодействуют с кварками и глюонами в рамках квантовой хромодинамики. Через так называемую петлю можно описать взаимодействие аксионов с фотонами. Это наиболее «чистый» канал для детекции. Образуется трехточечная вершинка: аксион может взаимодействовать с двумя компонентами электромагнитного поля. Если мы создадим сильное постоянное магнитное поле и поместим его туда, где есть аксионы (а они есть везде, в том числе здесь, на Земле), то в этом магнитном поле аксионы будут конвертироваться в фотоны. Этот процесс крайне слабый. Чтобы зафиксировать такой единичный фотон, сигнал нужно усилить. Для этого резонатор — специальную «коробку», в которой волны отражаются и накладываются друг на друга (интерферируют),— помещают в магнитное поле. Если геометрические размеры резонатора совпадают с длиной волны рожденного фотона (в трехмерном случае — моды), возникает резонанс, сигнал многократно увеличивается — в Q раз, где Q — это добротность резонатора.

— Особенность именно вашего устройства в том, что удается обходить так называемый стандартный квантовый предел шума аппаратуры и регистрировать одиночные фотоны?

— Да, это важнейшее отличие от западных аналогов. Большинство мировых коллабораций используют детекторы, измеряющие само магнитное или электрическое поле. Из-за соотношения неопределенностей в квантовом мире при таких измерениях неизбежно возникает фундаментальный квантовый шум детектора, даже если никакая частица в него не прилетела.

Чтобы опуститься ниже этого предела, мы используем сверхпроводящие квантовые технологии на базе джозефсоновских контактов (кстати, за развитие этого направления давали Нобелевские премии). Джозефсоновский контакт — это два сверхпроводника, разделенные тончайшим слоем диэлектрика. Куперовские пары могут проходить через этот барьер посредством квантового туннелирования. Потенциал фазы ведет себя как единый макроскопический квантовый объект.

Обычно такие контакты используют для создания кубитов (как в квантовых компьютерах Google). Но их можно использовать и как сверхчувствительные сенсоры. Если контакт поглощает рожденный фотон, система переходит на более высокий энергетический уровень, где туннелирование происходит гораздо легче. Мы фиксируем не классическое поле, а этот квантовый процесс поглощения.

Наши коллеги-экспериментаторы из Нижнего Новгорода разработали уникальные детекторы, которые фиксируют не само поле, а квантовое туннелирование при поглощении одиночного фотона. Им удалось добиться феноменальных показателей: детектор выдает ложное срабатывание в фоновом режиме всего один раз в 100 секунд. Это позволяет нам накапливать статистику и фиксировать сверхредкие события. В мире больше никто не умеет делать детекторы такого уровня для этих задач.

— Как это выглядит физически? Где собирается установка?

— Физически это большой криостат с мощным компрессором, занимающий отдельную комнату. При этом сам рабочий объем резонатора — всего несколько десятков квадратных сантиметров. Этот объем охлаждается до температуры 20 милликельвинов, чтобы полностью подавить термальный шум (это температура, невероятно близкая к абсолютному нулю — около –273,13°C,— что холоднее, чем в глубоком космосе). Сам охлаждаемый объем — всего несколько десятков кубических сантиметров. Поскольку мы заточены под короткие длины волн (порядка сантиметра), нам хватает такого размера, чтобы разместить внутри сантиметровый резонатор и джозефсоновский контакт.

Проект, который реализуется в рамках научной кооперации НЦФМ, совместный: экспериментальную установку делают коллеги из Нижнего Новгорода (НГТУ имени Алексеева и ИФМ РАН) под руководством доктора физ.-мат. наук Андрея Панкратова, а ИЯИ РАН (члены-корреспонденты РАН Дмитрий Горбунов и Сергей Троицкий, канд. физ.-мат. наук Петр Сатунин, аспирант Дмитрий Сальников и другие) отвечает за теоретическое сопровождение. Проект назван CASH — Космологический аксионный саровский галоскоп. Первая стадия измерений пройдет в Нижнем Новгороде. Поскольку там уже есть основное оборудование и магниты (1,7 тесла), мы можем скоро начать набор данных. В перспективе для радикального повышения чувствительности потребуются новый криостат и магниты мощностью до 7–10 тесла, для чего необходимо серьезное финансирование. Обсуждается вариант размещения второй части эксперимента на площадке НЦФМ в открытой части Сарова. Возможны также другие варианты.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Установка будет сканировать конкретную частоту или диапазон?

— Со временем нужно будет перестраивать частоту. Относительная точность детектора обратно пропорциональна добротности (порядка 10^-4). Угадать массу аксиона «пальцем в небо» невозможно, поэтому нам нужно автоматически, шаг за шагом, механически изменять геометрию резонатора и на каждой частоте набирать статистику.

— Если чуда не случится и аксион вы не найдете, сможете ли вы окончательно «закрыть» этот диапазон масс для науки?

— Да. Если у нас будет хороший мощный магнит, мы сможем надежно «закрыть» этот участок с достоверностью до 5 сигма (в физике частиц «5 сигма» означает золотой стандарт статистической достоверности открытия: вероятность ошибки тогда составляет примерно 1 на 3,5 миллиона, или ~0,000035%).

— Вы упоминали, что установка может искать не только аксионы, но и темные фотоны, а также гравитационные волны от первичных черных дыр. Как это работает?

— Наша установка способна ловить сигнал, который в магнитном поле переходит из невидимого спектра в видимый фотон. Это могут быть скалярные и псевдоскалярные частицы (аксионы), векторные частицы (темные фотоны) и тензорные (гравитоны, гравитационные волны). Темный фотон — это гипотетическая частица «зеркального мира», которая слабо взаимодействует с нашим миром. Что касается первичных черных дыр — это тоже кандидаты в темную материю, которые образовались на заре Вселенной. Когда они вращаются друг вокруг друга и сливаются, то испускают гравитационные волны. Эти волны в сильном магнитном поле галоскопа также могут конвертироваться в фотоны. Вероятность поймать такой всплеск во время работы CASH, конечно, мала, но она не нулевая.

— Подводя итог: что даст этот эксперимент глобальной науке?

— Как минимум мы установим строгие ограничения, которые закроют множество моделей в квантовой хромодинамике. А если нам повезет найти сигнал (и дополнительный анализ подтвердит, что это не сторонний шум, а именно аксионы), это будет означать, что мы наконец-то нашли темную материю, то есть разгадали загадку недостающей массы Вселенной, которая не давала покоя астрофизикам почти сто лет.

Подготовлено при поддержке пресс-службы ИЯИ РАН