Светим лазером сквозь стену, чтобы поймать темную материю
Я беру лазер и свечу им на толстую непрозрачную стену. Фотодиод с другой стороны вдруг начинает принимать фотоны. «Чтооооааа?! Что за колдунство?!» — спросите вы. «Наука!» — отвечу вам я. «Но зачем?» — спросите вы. «Потому что можем!» — скажу я.
Звучит фантастично, но именно такой эксперимент (light-through-the-wall) под названием ALPS делают в Гамбурге. Цель его — поймать частицы темной материи. В этом посте я расскажу, как именно это работает
Дисклеймер: я сам прямого отношения к этому эксперименту не имею, но его делают в соседнем с нашим институте здании, так что я не раз был в их лабораториях и более или менее в курсе всякой внутренней кухни. При этом про сам эксперимент почти нет материалов, так что я решил сделать свой.
1. Темная материя — короткий ликбез
Начну с очень краткого введения в то, что такое темная материя и как ее пытаются обнаружить. Если вы все знаете — смело мотайте в следующую часть.
Темная материя — это затычка для дырки в наших теориях и наблюдениях. Мы наблюдаем разнообразные эффекты в космосе, которые в общем все обладают схожими свойствами. Но мы понятия не имеем, откуда они берутся — у нас нет конкретной теории. То, что мы наблюдаем, ведет себя как вещество, которое обладает массой, но не взаимодейтствует с электромагнитным излучением (и само не излучает). Наблюдаем мы его по гравитационному воздействию на окружающие звезды. Но напрямую пока не видим. Поэтому — «темная материя».
А что именно мы наблюдаем?
Есть три основных класса наблюдений, которые позволяют нам говорить о темной материи.
1. Кривая вращения галактик
Обычно мы представляем плотность галактики как «шляпу» с максимальной плотностью в центре и уменьшающейся плотностью по краям. Ожидалось, что скорость вращения (линейная) будет выглядеть как на картинке выше: сперва расти в областях с большой плотностью, а потом снижаться по мере удаления отдаления от центра (в областях с низкой плотностью, где гравитация уже не так сильно связывает с центром галактики).
Однако, наблюдения показывают кардинально другую картинку (как на графике выше). Так бы выглядели скорости, если вы вокруг наблюдаемых звезд было бы большое гало из темной материи. Ее должно быть в примерно 5 раз больше, чем обычной материи, чтобы корректно отразить наблюдения.
2. Галактические кластеры
Кластер «Пуля»
Мы наблюдаем за кластерами галактик и тем, как они формируются. Смотрим на видимый свет, рентгеновский и на гравитационное линзирование (искривление света под действием гравитации). Видимый и рентгеновский свет дают представление о распределении обычной материи. А вот гравитационное линзирование включает в себя и эффекты темной материи. На картинке выше — кластер «Пуля»: синим показано распределение массы (обычной и темной материи), а красным — рентгеновское излучение. Очевидна разница. Не будь темной материи, мы бы видели одинаковое распределение в красном и синем цвете.
В целом, по гравитационному линзированию можно строить целые карты галактик и галактических скоплений, и все они показывают однозначно, что не всю массу во Вселенной мы можем наблюдать напрямую.
3. Реликтовое излучение
Реликтовое излучение — микроволновое излучение, которое заполняет всю Вселенную. Оно возникло в первые мгновения жизни Вселенной (370.000 лет после Большого Взрыва), когда элементарные частицы соединились в первые атомы водорода. В среднем этот фон одинаковый в любой точке небосклона. Но есть небольшие отклонения, некоторая структура. Темная материя не взаимодействует с реликтовым излучением напрямую, только через гравитацию, в отличие от обычной материи. Поэтому они оставляют разный след в реликтовом излучении. Из наблюдений за ним довольно однозначно получается, что без темной материи не обойтись.
Есть и другие наблюдения. Но главный мой посыл тут: очень разные физические явления на разных масштабах указывают нам на то, что мы не видим большой части вещества во Вселенной. Даже если какое-то одно наблюдение не верно, шанс, что мы ошибаемся в таком количестве разных данных, практически равен нулю.
Так что дальше встает вопрос — что же такое эта темная материя? Мы знаем, что она обладает массой. Она не взаимодействует с электромагнитным излучением (или взаимодействует очень-очень слабо).
Отсюда берутся два основных кандидата: вимпы (WIMP, weakly interacting massive particle) и аксионы. Вимпы достаточно массивны, но при этом не взаимодействуют с обычным веществом, кроме гравитации и слабого взаимодействия (отсюда название). Они являются прямым предсказание суперсимметричных теорий, расширяющих стандартную модель. Поэтому ожидалось, что на Большом Адронном Коллайдере их поймают. Но не поймали. И не только в БАКе, но и в других экспериментах. По сути, большой провал суперсимметрии как концепции (и вместе с ней теории струн). Сейчас большая часть возможных параметров для них уже исследована, так что шансы на их существование тают с каждым днем.
Вторая модель — аксионы. Это очень легкие частицы, которые тем не менее могут взаимодействовать с обычной материей и электромагнитным излучением, пусть и очень-очень слабо. Любопытно, что изначально они были придуманы в 70х, чтобы решить совсем другую проблему в физике частиц — сохранение CP инвариантности (некоторая симметрия в динамике частиц почему-то сохраняется, хотя по идее могла бы и нарушаться). И вот с открытием темной материи оказалось, что они хорошо подходят на роль темной материи, пусть и не в их изначальном варианте, а с некоторыми модификациями.
Замечу, что и вимпы, и аксионы — это большие «зонтичные термины» над кучей разных возможных вариантов частиц. По сути, они обладают некоторыми заданными свойствами, в то время как другие (например, их масса), могут лежать в широком диапазоне значений. Поэтому обычно эксперименты не только ищут собственно частицы, но и исключают регионы из этих диапазонов. Типа такого ниже, где регионы отмечают, как разные экспериментальные и теоретические результаты ограничивают параметры. В данном случае это возможные значения массы и силы взаимодействия вимпов, исключенные разными экспериментами: остался неисследованным только левый нижний угол (разбираться в графичке не обязательно, это просто для демонстрации).
Чувствительность разных экспериментов к вимпам в зависимости от их массы и силы взаимодействия. Частицы с параметрами выше кривых должны были бы зарегистрированы в экспериментах. Остались неисследованными только малые сечения взаимодействия и малые массы.
2. Light through the wall
Итак, мы выяснили, что темная материя существует, но мы не знаем, что это за зверь такой. Два кандидата считаются наиболее перспективными: вимпы и аксионы. Разница в них в том, что вимпы довольно тяжелые: 10—1000 ГэВ, но при этом взаимодействуют только через слабое взаимодействие. А аксионы очень легкие: 10–5 эВ, но в принципе могут взаимодействовать с веществом. Вимпы считались главным кандидатом, но множество экспериментов не обнаружило их (включая БАК), так что они несколько вышли из моды. Так что на первый план выходят аксионы, которые искать сложнее, но по крайней мере они могут взаимодействовать со светом. Именно эту особенность и используют в эксперименте, о котором пойдет речь дальше.
Аксионы могут распадаться на фотоны в сильных магнитных полях — это эффект Примакова. Наверное, вы уже догадываетесь, какой эксперимент мы будим ставить. Идея такая: берем луч света, пропускаем его через мощное магнитное поле. При этом должны формироваться аксионы. Ставим на пути света толстую стену — так, чтобы никакие фотоны не пролетели насквозь. А аксионы почти не взаимодействуют со стеной, так что пролетают без проблем. После стены мы ставим еще один мощный магнит, чтобы преобразовать аксионы обратно в фотоны. Эти фотоны и детектируем на фотодетекторе.
Вообще сам по себе эффект Примакова работает для любых легких частиц с определенными свойствами, не только аксионов. Поэтому эксперимент называется Any Light Particle Search (или Axion-like particle search)- ALPS II. Первый такой эксперимент закончился 10 лет назад, а второй только сейчас строят. То есть, идея в том, чтобы найти хоть какую-то частицу, а там уже смотреть, подходит ли она на роль темной материи.
Вообще эффект Примакова лежит в основе большей части экспериментов по поиску аксионов. Сильные магнитные поля (а они нужны очень сильные) могут возникать в астрофизических процессах. Например, в звездах. Тогда фотоны в звезде могут преобразовываться в аксионы. И от Солнца должен дуть аксионный ветер. Мы можем направить на Солнце гелиоскоп — большой телескоп с сильным магнитом и попробовать наблюдать фотоны от превращенных в магнитном поле аксионов.
В общем, то же, что в ALPS, только аксионы делаем не мы сами, а солнышко за нас старается.
В других звездах с сильными магнитными полями (например, в нейтронных звездах) тоже ожидается сильный эффект Примакова, так что ученые ищут всякие сигналы, связанные с преобразованием фотонов в аксионы (и обратно).
Скорее всего вы впервые слышите про такие эксперименты. Так что, как можете догадаться, они не увенчались успехом до сих пор. Но ученые не сдаются и делают новые более чувствительные детекторы. Например, вот на картинке здоровенный язь гелиоскоп IAXO, который планируют построить в ближайшие годы.
Но давайте вернемся к нашему эксперименту и рассмотрим подробнее, в чем же там сложность. Казалось бы — бери себе лазер да пуляй в стену, только магнит помощнее взять.
3. ALPS II
Проблема, конечно, в слабости эффекта. Его надо как-то усилить. Вероятность детектирования аксионов (соотношение сигнал-шум) выражается примерно такой зависимостью:
P ~ (Магнитное поле)*(Длина взаимодействия)*(Мощность лазера в магнитном поле)¼*(Вероятность детектирования фотона)¼*(Время/Шум детектора)1/8
Понятно, что нужно увеличивать время наблюдения и уменьшать шумы детектора. А что еще можно сделать?
Длина взаимодействия с магнитным полем: тут все просто, чем длиннее, тем лучше. Но длина ограничена размерами установки: это же надо все засунуть в вакуум, стабилизировать, экранировать от внешних воздействий…ALPS II построен в старых туннелях ускорителя HERA. Длина установки там — 200 метров (по 100 метров с каждой стороны от стены).
Магнитное поле. Самое простое, конечно, — взять магниты помощнее. Ну как простое…Они должны быть мощные и большие. Самые мощные магниты, сделанные людьми — хитрые сверхпроводящие, их мощность — 40T, но в размере на пару метров. И это целая лаборатория. В МРТ машинах стоят магниты в 1–3Т, это маловато. Поэтому в ALPS поступили хитрее: они взяли старые сверхпроводящие магниты от ускорителя частиц HERA, выпрямили их (изначально они согнуты, т.к. ускоритель — кольцо) и поставили в установку. 10 магнитов мощностью в 5.3T с каждой стороны — и вот все 200 метров взаимодействия с магнитным полем обеспечены.
Первая итерация ALPS, закончившая работу в 2010 году. На картинке видна вакуумная камера и магниты (белая труба).
Мощность света Тут идея простая: вероятность распада фиксирована магнитным полем и длиной взаимодействия, так что чем больше фотонов в магнитном поле, тем больше аксионов на выходе. Лазер сам по себе сложно сделать очень мощным, зато свет можно усилить внутри резонатора. Если использовать два очень высокоотражающих зеркала и убедиться, что частота света совпадает с резонансной частотой, можно получить большое усиление.
В данном случае, до 150кВт. Это очень много для непрерывного лазерного излучения. Для того, чтобы система выдержала такие мощности, всю систему помещают в высокий вакуум. И берут самые лучшие зеркала — чтобы никакой свет не рассеивался и не повреждал покрытия зеркал.
По этой же причине сложно сделать бóльшую мощность: нужны минимальные потери в каждом элементе, а это сложно. Кроме того, даже минимальное поглощение в покрытиях приводит к тепловым искривлению формы зеркал и потере резонанса. Большей мощности получается достичь только в детекторах гравитационных волн, типа LIGO и Virgo (о которых я уже много писал), но там гораздо сложнее сама система.
Главный оптический стол с запуском лазера в резонаторы (в вакуумную камеру слева)
Эффективность детектирования оказывается самой сложной частью для улучшения. Так как поток аксионов будет очень слаб, на после обратного распада на фотоны мы ожидаем одиночные фотоны, а не лазерный луч. То есть, их нужно детектировать с помощью однофотонных детекторов (ака лавинных фотодиодов). Такие детекторы обычно обладают очень малой эффективностью — около 15% в лучшем случае (то есть, только 15 из 100 фотонов будут пойманы). Есть исключение — охлажденные до криогенных температур детекторы. Там эффективность может превышать 95%. Но есть проблема: они требуют сверхнизких температур — миликельвин. То есть, эти детекторы нужно засовывать в криостат.
Криостат растворения, охлаждающий образцы до 20 мК.
Но на этом сложности не заканчиваются. Даже с высокой эффективностью детектирования фотоны будут прилетать все равно слишком редко. Придется ждать десятилетия, чтобы получить нужную статистику.
На помощь снова приходят резонаторы. Но чтобы разобраться, как это работает, придется немного погрузиться в квантовую теорию поля. На самом деле, каждый фотон — это не частица, а волна. Это возмущение квантового поля фотонов. Корпускулярно-волновой дуализм — это все концепции из начала прошлого века. Частиц не бывает, вообще. Иногда нам удобнее говорить о волнах как о частицах, т.к. эти возмущения — волновые пакеты — оказываются достаточно ограничены во времени или пространстве. Условно говоря, каждая частица — это такой импульс квантового поля. Если кто-то вас спросит, является ли нейтрон частицей, смело говорите — нет, это волна!
Так вот, фотон — это не просто абы какое возмущение поля, а оно соответствует определенной моде: т.е. обладает некоторой неопределенностью по частоте и времени, а также определенным пространственным распределением.
Гаусовский пучок в TEM00 моде
Эта мода задает вид волновой функции фотона. Волновая функция определяет вероятность наблюдения фотона в определенном месте пространства (а так же времени и частоте). Например, на картинке выше наибольшая вероятность будет в самом центре, где цвет самый красный. Мода — это по сути дела проявление законов сохранения, она задает энергию и импульс фотона.
Почему я об этом говорю? Потому что когда фотон распадается на аксион, из-за законов сохранения аксион оказывается в той же моде. И когда он проходит через стену и преобразуется в фотон, фотон остается в той же моде! Фотоны с одинаковыми параметрами неразличимы (спасибо принципу Паули). Так что можно сказать, что мы «телепортировали» фотон через стену с помощью аксиона! Вот такие квантовые фокусы.
Оптический резонатор задает моду однозначно: длина резонатора задает резонансную частоту резонатора и определяет центральную частоту фотона, форма зеркал и настройка резонатора — пространственную форму. То есть, когда мы ставим резонатор в магнитное поле, только фотоны в резонансной моде будут конвертироваться. Резонатор позволяет увеличить вероятность конвертации, за счет того, что фотон проходит через магнитное поле множество раз.
Два резонатора: в левом большая мощность, правый усиливает вероятность преобразования в фотон. Оба резонатора поддерживают одинаковую моду моду света (показана закрашенной областью).
И тут мы вытаскиваем из рукава наш последний козырь: второй резонатор после стенки. Процесс преобразования фотона в аксион симметричен. Если резонатор усиливает прямой процесс, то усиливается и обратный: преобразованный фотон будет в правильной моде, нам нужно только резонансно усилить вероятность этого преобразования. Ура! Два резонатора позволят повысить вероятность детектирования на много порядков. Ура ведь?…
Not so fast. Идея хороша, но как нам настроить второй резонатор в резонанс с первым? Ведь его резонансная частота совсем не обязательно будет правильной. Вообще говоря, резонаторы надо активно подстраивать, чтобы их частота не плыла за счет изменения расстояния между зеркалами. Обычно для такой задачи берут свет от того же лазера и синхронизируют резонаторы по отношению к частоте лазера. Привычное дело — вон в том же LIGO аж 6 вложенных резонаторов и еще пяток снаружи, все друг с другом в резонансе. Но тут мы не можем позволить ни единому фотону из лазера пройти через стену. Более того, везде стоят фильтры, чтобы ни в коем случае ни одного фотона снаружи не пришло на детектор. Приходится извращаться ухищраться.
Схема эксперимента как выше, только добавлен процесс генерации второй гармоники. Свет с удвоенной частотой (зеленый) обходит стену и резонирует во втором резонаторе. Это позволяет синхронизировать оба резонатора.
В эксперименте будет использован нелинейный процесс генерации второй гармоники. Это когда в кристалле два фотона с низкой энергией преобразуются в один фотон с удвоенной энергией. Такой процесс повсеместно используется в оптике и довольно просто реализуем. При этом новый фотон более высокой частоты сохраняет подчиняется закону сохранения энергии и импульса, так что частота его будет ровно в два раза больше частоты источника. Так что мы можем взять немного света из резонатора слева от стены, преобразовать его в свет с удвоенной частотой, послать его в обход стены и синхронизировать второй резонатор с этим светом. Так, что второй резонатор будет одновременно в резонансе для света с удвоенной частотой и для фотонов, которые будут конвертироваться из аксионов.
Вот теперь эксперимент готов! Ну то есть как, на самом деле есть еще куча мелочей, которые нужно оптимизировать. Нужно убрать лишние шумы, изолировать систему от сейсмических шумов, тепловых шумов, решить проблемы стабилизации и управления, и так далее, и так далее. В целом, все очень похоже на то, что нужно делать в детекторах гравитационных волн, о чем я писал в своей статье про Einstein Telescope и скоро подробнее расскажу в новой статье (stay tuned!).
Так что, поймали аксионы-то?! — Увы, пока нет. Эксперимент только строится: не все магниты еще даже на месте. По плану запуск планируется на осень этого года, но будет видно. Ожидается, что поток фотонов будет на уровне 1 в день. Или не будет…
Но хоть поймаем?! — Никто не знает. ALPSII будет очень чувствителен, но большая часть параметров уже проверена. На графике ниже зеленая линия показывает регион, где можно ожидать аксионы из общей теории. Кривая ALPSII находится чуть ниже зеленой линиии. Выше это кривой область, которую ALPS будет наблюдать. Часть этого региона уже исключени другим экспериментом CAST. Я выделил фиолетовыми кружками регионы, где ALPSII сможет сказать что-то новое. Сможет ли он поймать аксионы? Возможно — красная область показывает возможные параметры, которые мы можем ожидать из наблюдения за эволюцией звезд. Но это не точно (мы знаем очень мало). Будет ли это темная материя? Большие желтые, оранжевые и синие регионы показывают показывают регионы, где мы ожидаем увидеть аксионы, если они являются темной материей. Это не точно, только возможные сценарии. Но мы видим, что ALPSII очень далек от наблюдения этих регионов. Мы также видим, что телескоп IAXO, о котором я уже говорил, будет гораздо более чувствительным.
Параметры, которые будут покрывать разные эксперименты. Области над кривыми — возможные параметры частиц, которые можно будет обнаружить в конкретном эксперименте. ALPSII отмечен фиолетовым кружочком.
Так что же, это все бесполезно?! Темную материю не поймать, следующие эксперименты будут на порядки лучше, нафига это все вообще? — Because we can, конечно:) Ну и еще: потому что мы знаем пока очень мало. Возможно, все эти предсказания вообще — ерунда, и завтра выйдет статья, опровергающая их. Следующие эксперименты пока только в планах, а проверить этот регион, пусть и небольшой, можно уже в ближайшие пару лет. А вдруг именно там сидят аксионы? Ну и каждый такой эксперимент — это шаг вперед в технологиях, которые мы используем, и в наших навыках. В каждом проваленном эксперименте делается с десяток полезных технологических прорывов. Которые будут использованы в следующем эксперименте, и во всех следующих, пока не придет еще более хитроумная идея. Так развивается наука, небольшими шагами, усилиями десятков и сотен людей. Так мы познаем Вселенную: тратим десятилетия, чтобы проверить малюсенький регион на графике.
Литература
Страничка эксперимента на сайте DESY
Результаты работы ALPS I
Техническая статья с описанием работы ALPS II
PS Я веду англоязычный твиттер про свою жизнь в науке и разное около-академическое, буду рад вас там видеть: @hbar_universe
