class="p">Апрель 2018
Ограничения на параметры гипотетических темных аксионов, определенные с помощью детектора ADMX, впервые достигли области значений, предсказываемых существующими теоретическими моделями. Новые измерения ограничивают параметр аксион-фотонной связи в диапазоне масс от 2,66 до 2,81 микроэлектронвольт величиной около 10−10обратных гигаэлектронвольт. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
К сожалению, экспериментально существование аксионов Стандартной модели подтверждено не было. Тем не менее, несколько альтернативных теорий — например, теория Кима—Шифмана—Вайнштейна—Захарова — предсказывают существование так называемых «темных аксионов», которые значительно слабее взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Такие аксионы могут составлять значительную часть темной материи, поэтому важно научиться их детектировать. Пока что все существующие эксперименты по поиску аксионов имеют слишком низкую точность, чтобы проверить какие-либо параметры теорий.
Группе ADMX удалось построить детектор, который должен регистрировать аксионы с достаточно высокой точностью, чтобы проверить предсказания теоретических моделей. Ученые отработали технологию распознавания аксионов с помощью компьютерного моделирования. Для этого они смоделировали аксионы с заданной массой и проверили, что будет видеть детектор.
Всего измерения заняли шесть месяцев и продлились с 18 января по 11 июня 2017 года. Ни одного сигнала, отвечающего аксионам, зарегистрировано не было. Тем не менее, точность измерений оказалась так высока, что позволила установить ограничения на параметр аксион-фотонной связи, который описывает взаимодействие между гипотетическими частицами и фотонами Стандартной модели. Другими словами, если аксионы с массами из рассмотренного диапазона все-таки существуют, теории Кима—Шифмана—Вайнштейна—Захарова они не подчиняются.
nplus1, 10 апреля 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/04/10/ADMX
ЖурналPhysical Review Letters, 2018
ГруппаADMX
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.151301
Глава 11-13-4
Физики исследовали коллапс аксионной темной материи на домашнем компьютере
Август 2018
Физики-теоретики из Великобритании разработали программу, которая численно моделирует поведение аксионной звезды и требует так мало вычислительных ресурсов, что для ее работы достаточно мощности обычного домашнего компьютера. Ранее для подобных расчетов приходилось использовать суперкомпьютеры. Статья опубликована в Physics Letters B.
Один из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи — это темный аксион, гипотетическая сверхлегкая частица. Теоретические исследования показывают, что аксионная темная материя может образовать устойчивые структуры, связанные силой гравитационного притяжения. В зависимости от того, какие значения массы аксиона и константы распада (характерного масштаба нарушения симметрии) реализуются в природе, такие структуры относятся к одному из трех типов (фаз). Во-первых, они могут быть стабильны на протяжении всего своего существования; в таком случае говорят об аксионных звездах (или бозонных звездах), аналогичным звездам из обычной материи. Во-вторых, темная материя может сжиматься под действием собственной гравитации и превращаться в черную дыру. Наконец, бозонные звезды могут излучать большие количества релятивистских аксионов, напоминая сверхновые из астрофизики или Бозеновы (Bosenova) из физики конденсированного состояния. Как правило, определить, какой именно тип реализуется при заданных значениях параметров, очень сложно — точное решение задачи до сих пор не найдено, а численные расчеты требуют большой вычислительной мощности. Тем не менее, в прошлом году группа ученых под руководством Рикардо Беериль (Ricardo Becerril) выполнила такой расчет с помощью суперкомпьютера COSMOS и построила фазовую диаграмму бозонных звезд.
В новой статье физики Флорен Мишель (Florent Michel) и Ян Мосс (Ian Moss) воспроизвела результат группа Беериль на обычном домашнем компьютере, разработав менее требовательный алгоритм. В основу расчета исследователи положили схему интегрирования в нулевых координатах (null-coordinate integration scheme), придуманную в 1987 году израильскими теоретиками Далей Голдвир (Dalia Goldwirth) и Цви Пираном (Tsvi Piran). В этом методе координатная сетка выбирается таким образом, чтобы наиболее точно ухватить детали коллапса (она «втекает» в объект вместе с коллапсирующей материей). В результате система уравнений поля сводится к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, которую, по словам авторов статьи, можно численно проинтегрировать за несколько минут на обычном домашнем компьютере.
В результате исследователям удалось воспроизвести картину, полученную в предыдущей работе — увидеть четкие границы между фазами и тройную критическую точку, в которой сходятся фазы бозонной звезды, черной дыры и Бозеновы. Тем не менее, положение критической точки существенно отличалось от найденного ранее, хотя и совпадало с нерелятивистским пределом. Кроме того, граница между фазами Бозеновой и черной дыры оказалась размытой — конечное состояние звезды сильно зависело от начальных условий, и заранее предсказать его по соседним точкам было невозможно.
nplus1, 27 августа 2018, Дмитрий Трунин
https://nplus1.ru/news/2018/08/27/axion-desktop
ЖурналPhysics Letters B, 2018
Флорен Мишель (Florent Michel) и ЯнМосс (Ian Moss)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269318306312
Глава 11-13-5
Прототип ABRACADABRA не помог найти темную материю
Март 2019
Физики опубликовали детальное описание нового эксперимента по поиску сверхлегких частиц темной материи ABRACADABRA и подвели итоги работы прототипа. Полноценная установка будет чувствительна к сигналу частиц с массами от 10-12 до 10-6 электронвольт, а прототип работал с диапазоном от 0,31 до 8,3 наноэлектронвольт. Такими массами могут обладать несколько кандидатов на роль частиц темной материи, в том числе аксионы. Искомых событий в рамках наблюдений с прототипом найдено не было. Результаты приняты к публикации в журнале Physical Review Letters, препринт статьи доступен на сервере arXiv.org.
До недавнего времени наибольшей популярностью пользовалась модель вимпов (WIMPs, Weakly interacting massive particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). По массе эти частицы должны быть в десятки раз тяжелее протона, однако ни опыты по прямой регистрации, ни эксперименты на коллайдерах не нашли искомых сигналов. Из-за этого многие ученые начали уделять активное внимание альтернативным моделям.
Среди альтернативных вимпам идей есть класс теорий, в рамках которых темная материя состоит из очень легких частиц. В частности, к этому типу относится «размытая» темная материя, массивный темный фотон и аксионы.
К идее аксионов вновь вернулись в контексте темной материи, так как они хорошо вписывались в модель темной материи из легких частиц. В отличие от многих других вариантов, у аксионов должно быть специфическое взаимодействие с электромагнитным полем в определенных условиях, так как аксион и фотон с точки зрения теории оказываются связаны. В частности, в сильных полях одни должны превращаться в другие. Именно это свойство является концептуальной основой экспериментов, называемых «свет сквозь стену»: мощный поток света направляют в магнитное поле перед стенкой, фотоны поглощаются, а аксионы проходят сквозь нее, после чего часть из них превращается обратно в фотоны, которые регистрирует приемник.
В основе эксперимента ABRACADABRA (A Broadband/Resonant Approach to Cosmic
