Аксионы — это гипотетические элементарные частицы, которые многие физики считают основным кандидатом на роль тёмной материи. Команда исследователей из Института Периметра (Канада), Университета Северной Каролины, Института Кавли и Нью-Йоркского университета предложила инновационный способ их обнаружения.
Теоретические предпосылки
Впервые концепция аксионов возникла в 1970-х годах как способ решения проблемы CP-симметрии в рамках сильного ядерного взаимодействия. Теория предсказывала, что нарушение CP-симметрии должно сопровождаться появлением электрического дипольного момента у нейтрона. Однако многократные эксперименты не зафиксировали этого явления, что подтолкнуло ученых к поиску новой физики, где аксионы остаются одной из самых перспективных гипотез.
Метод пьезоэлектрической детекции
В свежем исследовании предлагается задействовать пьезоэлектрические материалы для генерации и регистрации частиц. Такие кристаллы вырабатывают электрическое поле в ответ на механическую деформацию, что позволяет усилить взаимодействие аксионов с материей. В основе эксперимента лежит метод ядерного магнитного резонанса, который способен фиксировать микроскопические изменения в ориентации спинов ядер.
Иллюстрация: Nano Banana
Принцип работы установки
Пьезоэлектрический кристалл подвергается колебаниям на резонансной частоте ядерных спинов, что приводит к амплификации сигнала, создаваемого аксионами. Для обеспечения высокой точности измерений и защиты от фоновых помех установка помещается в мощный магнитный экран. Регистрация крайне слабого магнитного поля, порождаемого аксионами, будет осуществляться с помощью SQUID — сверхпроводящего квантового интерференционного устройства.
Эффективность эксперимента
Авторы работы утверждают, что такой подход позволяет кратно увеличить «производство» аксионного сигнала в лабораторных условиях. Ожидается, что чувствительность эксперимента вырастет до 10 миллионов раз по сравнению с традиционными методами поиска.
Исследователи отмечают, что новый метод не заменяет, а дополняет текущие стратегии, используя уже существующие технологии. Эндрю Гераси из Северо-Западного университета уже планирует доработку своей установки Ariadne для проверки эффективности пьезоэлектрических материалов в поиске аксионов.
