«Апостериори»: Исследователи предложили новый способ поиска аксионной тёмной материи

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики разработали концепцию детектора аксионов в диапазоне масс порядка миллиэлектронвольт. Именно в этой области традиционные эксперименты сталкиваются с серьёзными техническими ограничениями.

Аксион – это гипотетическая элементарная частица. Изначально её предложили для решения одной из проблем квантовой хромодинамики, но позже выяснилось, что аксионы также могут быть хорошими кандидатами на роль частиц тёмной материи. Если такие частицы действительно существуют, они должны крайне слабо взаимодействовать с обычным веществом. Поэтому обнаружить их напрямую очень трудно.

Один из возможных способов поиска основан на том, что в сильном магнитном поле аксион может превращаться в фотон. На этом принципе уже работают или проектируются разные детекторы. Но у существующих подходов есть проблема: в диапазоне масс порядка миллиэлетронвольт соответствующая частота оказывается уже не микроволновой, а терагерцовой. Для таких частот обычные резонаторы становятся менее эффективными: уменьшается объём полости, падает добротность, а механическая настройка на разные частоты становится всё сложнее.

В новой статье, опубликованной в Physical Review Letters, авторы предлагают использовать вместо обычной полости специально созданные полупроводниковые гетероструктуры – структуры с множественными квантовыми ямами. Они называют такой подход SQWARE – Semiconductor-Quantum-Well Axion Radiometer Experiment.

Главная идея заключается в том, что такая структура может работать как магнитоплазмонная полость. Внутри неё находятся двумерные электронные газы с высокой подвижностью. Если поместить эту систему в сильное магнитное поле, в ней можно получить так называемый ENZ-резонанс – состояние, при котором диэлектрическая проницаемость среды приближается к нулю. В таких условиях электрическое поле, индуцированное аксионом, может резко усиливаться. По расчётам авторов, это может увеличить испускаемую электромагнитную мощность примерно на четыре порядка.

Особенно важная часть работы – способ настройки детектора. В обычных резонаторных экспериментах для поиска аксионов разных масс часто нужно механически менять геометрию системы. Но здесь частоту резонанса можно менять проще: поворачивая структуру относительно внешнего магнитного поля. Благодаря этому один и тот же образец можно «сканировать» по разным массам аксиона без сложной перестройки самой конструкции.

Авторы рассмотрели три возможные конфигурации такого детектора. Более реалистичные варианты рассчитаны на магнитное поле около 36 тесла и структуры толщиной от 2 до 10 миллиметров. Более амбициозный вариант предполагает 50-тесловый магнит, большую площадь образца и более чувствительный фотодетектор. Согласно расчётам такие установки могут исследовать диапазон примерно от 0,6 до 5 миллиэлектронвольт.

Если такую установку удастся реализовать, она может закрыть один из важных пробелов в прямых поисках аксионной тёмной материи – именно в том диапазоне масс, который до сих пор остаётся особенно трудным для экспериментов.