Эксперимент ALPS начинает поиски тёмной материи
Самый чувствительный в мире эксперимент ALPS II по поиску необычно лёгких частиц, из которых может состоять тёмная материя, стартовал 23 мая в немецком исследовательском центре физики частиц DESY.
Научные расчёты предсказывают, что эта странная форма материи должна встречаться во Вселенной в пять раз чаще, чем обычная, видимая материя. Однако до сих пор никому не удавалось обнаружить частицы этой материи; эксперимент ALPS теоретически может их найти.
Эксперимент ALPS (Any Light Particle Search), общая длина установки которого составляет 250 метров, ищет особенно лёгкий тип новой элементарной частицы — при этом не делая предпочтений какой-то конкретной физической модели тёмной материи. Используя двадцать четыре сверхпроводящих магнита, переработанных из тех, что использовались в ускорителе HERA, мощный лазерный луч, прецизионную интерферометрию и высокочувствительные детекторы, международная исследовательская группа хочет найти эти так называемые аксионы или аксионоподобные частицы.
Аксионы — это гипотетические элементарные частицы, поддерживающие теорию физика-теоретика Роберто Печчеи и его коллеги Хелен Куинн, выдвинутую в 1977 году для решения проблемы сильного взаимодействия — одной из четырёх фундаментальных сил природы. В 1978 году физики-теоретики Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг предложили новую частицу для работы этого механизма. Поскольку эта частица должна была как бы «очистить» теорию, Вильчек назвал её «аксион» в честь популярного моющего средства. Ряд различных расширений Стандартной модели физики частиц предсказывает существование аксионов или аксионоподобных частиц.
Считается, что такие частицы очень слабо взаимодействуют с известными видами материи, что означает, что их невозможно обнаружить в экспериментах с использованием обычных ускорителей. Поэтому ALPS прибегает к совершенно иному принципу их обнаружения: в сильном магнитном поле фотоны могут превращаться в эти загадочные элементарные частицы, а затем снова в свет. «Идея эксперимента, подобного ALPS, существует уже более 30 лет. Используя компоненты и инфраструктуру бывшего ускорителя HERA, а также самые современные технологии, мы впервые смогли реализовать ALPS II в рамках международного сотрудничества», — говорит Беате Хайнеманн, директор отдела физики элементарных частиц DESY. Гельмут Дош, председатель совета директоров DESY, добавляет: «DESY поставил перед собой задачу расшифровать материю во всех её различных формах. Поэтому ALPS II идеально вписывается в нашу исследовательскую стратегию, и, возможно, он откроет двери к обнаружению тёмной материи».
Команда ALPS направляет высокоинтенсивный лазерный луч вдоль оптического резонатора в вакуумную трубу длиной около 120 метров, в которой луч отражается назад и вперёд. Труба окружена двенадцатью магнитами HERA, расположенными по прямой линии. Если бы фотон превратился в аксион в сильном магнитном поле, то аксион мог бы пройти через непрозрачную стенку в конце линии магнитов. Пройдя через стену, он попал бы на другую магнитную дорожку, почти идентичную первой. Здесь аксион может снова превратиться в фотон, который будет уловлен детектором в конце. Там же установлен второй оптический резонатор, чтобы увеличить вероятность превращения аксиона обратно в фотон в 10 000 раз. «Однако, несмотря на все наши технические ухищрения, вероятность превращения фотона в аксион и обратно очень мала, — говорит Аксель Линднер из DESY, руководитель проекта и представитель коллаборации ALPS, — всё равно, что бросить 33 игральные кости так, чтобы все они выпали одинаково».
