В MIT решили создать миниатюрный магнетар для поиска частиц темной материи

В чем мнение общественности и ученых едино, так это в том, насколько обескураживает нас поиск темной материи. Поскольку мы не можем просто найти темную материю, используя наши современные методы, что делать дальше? Где взять данные, чтобы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу? Когда мы говорим, что темной материи может не существовать, где-то в мире от грусти и ненависти к нам умирает один ученый. (На самом деле нет). Но тройка ученых из Массачусетского технологического института наверняка что-то подобное ощутила, иначе зачем бы ей принимать новую тактику в исследовании темной материи.

Ученые планируют использовать технологию, лежащую в основе МРТ, чтобы создать карманный магнетар — самый мощный магнитный объект во Вселенной — в лабораторных условиях. Миниатюрную установку магнетара назвали ABRACADABRA (расшифровывать не будем, там много страшных слов). Джесси Талер, Бенджамин Сафди и Йонатан Кан планируют использовать свою устройство для поиска гипотетической частицы аксиона, которая может взаимодействовать с магнитными полями. Вроде тех, одно из которых будут строить ученые. Такой подход, по их мнению, поможет выйти на след темной материи. А также решить вопрос проблемы зарядового сопряжения (четности) в физике частиц.

Идея заключается в том, чтобы обернуть магнитометр серией магнитных катушек, завернуть в лист сверхпроводника и запихнуть все это в специально построенный криогенный холодильник — здесь должна быть неуместная шутка про шаурму. Затем установку включат и будут следить за магнитным полем. В присутствии аксионов, магнитное поле, созданное «шаурмой», будет слегка колебаться. Транзит аксиона через B-поле мини-магнетара приведет к тому, что появится крошечное второстепенное магнитное поле. Ученые уверены, что смогут поймать это крошечное поле и раскачать, чтобы узнать таким образом точный вид B-поля их собственного мини-магнетара. Если они его найдут, они смогут оценить и размер аксиона.

И раз уж мы дошли до самого главного, давайте вспомним, почему вообще кому-то вздумалось найти эти самые аксионы.

Если оригинальная теория Печчеи — Квинн справедлива, аксионы насыщают пространство подобно нейтрино: легкие, крошечные, вездесущие. Но в нашей модели субатомных частиц есть проблема тонкой настройки. А именно: слабая ядерная сила не подчиняется ожидаемому балансу зарядовой четности. Эта проблема называется сильной CP-проблемой (нарушение CP-инвариантности).

Нейтроны тоже ведут себя не так, как предсказывает теория: «Мы не ждем, что нейтроны будут ускоряться в присутствии электрического поля, потому что не несут электрический заряд, но думаем, что они будут вращаться», говорит Сафди. Потому что у них есть электрический дипольный момент — принцип запрета Паули диктует, что составные заряды нейтроны должны быть разделены пространства и, следовательно, удалены от центра. Но нейтроны, похоже, не имеют ожидаемого диполя, что странно.

«Сильная CP-проблема связана с тем, отвечает ли спин нейтрона на электрические эффекты, и с этой позиции можно представить магнетар как один гигантский спин с большими магнитными полями», объясняет Талер. Аксионы, обнаруженные «Абракадаброй», могут дать ответ на оба вопроса. Частицы также могут быть поняты через динамику полей, а обнаружение недостающих взаимодействий позволит решить проблему CP и проблему вращения нейтрона.

Эти эксперименты также могут оказать влияние на вопрос темной материи. Хотя вы уже слышали о «вимпах» как о кандидатах на частицы темной материи, ученые тихо поговаривают об аксионах еще с 1970-х годов. У аксионов, в теории, много общего с вимпами. Подобно вимпам, аксионы должны быть слабовзаимодействующими и ультралегкими, с массой в одну квадриллионную или квинтиллионную долю массы протона.

«У нас есть инструмент, который чувствителен ко многим длинам волн, и мы можем щекотать его аксионом одной определенной длины волны, чтобы ABRACADABRA резонировал», говорит Талер. Если этот мини-магнетар действительно найдет аксионы и если их масса будет в пределах ожидаемого диапазона, такому исследованию не будет цены.