Ученые CERN нацелили гигантский магнит на Солнце с целью поиска частиц темной материи - «Наука и технологии»

Обнаружением бозона Хиггса при помощи Большого Адронного Коллайдера ученые Европейской организации ядерных исследований CERN поставили на место последнюю недостающую часть Стандартной модели физики элементарных частиц. После этого, все что было и будет обнаружено в недрах коллайдера, находится за рамками Стандартной модели, вписываясь, к примеру, в теорию суперсимметрии, являющуюся своего рода расширением Стандартной модели. Но, к сожалению, при помощи коллайдера ученые могут искать только тяжелые частицы, а такие частицы, как аксионы, имеющие малую массу и особое поведение, попросту не могут быть обнаружены при помощи даже самых высокочувствительных датчиков.

Тем не менее, некоторые элементы оборудования коллайдера могут быть использованы для поисков аксионов. Предприимчивые инженеры CERN взяли снятые с коллайдера магниты и объединили их с технологиями фокусировки рентгеновского излучения, используемыми в рентгеновских космических телескопах. Созданное ими устройство, с теоретической точки зрения, должно быть способно регистрировать аксионы, порожденные в недрах Солнца. Но, к сожалению, за все время наблюдений ученым так и не удалось зарегистрировать ни одной из этих гипотетических частиц.

Ученые-физики придумывают различные гипотетические частицы далеко не ради забавы. Для введения в обиход понятия какой либо новой частицы обычно существуют серьезные основания. В случае аксионов такие основания прибыли из области под названием квантовой хромодинамики, которая описывает взаимодействия кварков и глюонов. Аксионы были предложены в качестве объяснения того, почему вышеупомянутые частицы абсолютно "безразличны" к направлению течения времени, как бы странно это ни звучало.

За все время исследований учеными были предложены несколько различных типов аксионов, имеющих одно общее свойство - крайне малую массу. Это, в свою очередь, делает аксионы кандидатами на "звание" частиц темной материи, которая присутствует во Вселенной в большом количестве и которую пока не удается зарегистрировать никакими способами.

Одним из странных свойств аксионов является их поведение в сильных магнитных полях, которые могут вызвать преобразование аксиона в фотон света и обратно. Это свойство определяет то, что в среде звезд и во время взрывов сверхновых, к примеру, аксионы должны порождаться в огромных количествах, разлетаясь по космосу по абсолютно прямым траекториям из-за того, что они не взаимодействуют с обычной материей. Некоторые из аксионов, столкнувшись с космическими магнитными полями, должны превратиться в фотоны, что, в свою очередь, должно приводить к появлению вспышек гамма-лучей, сопровождаемых потоками нейтрино.

Такие взаимодействия аксионов с магнитными полями дают ученым шанс зарегистрировать аксионы даже в лабораторных условиях. Для этого, в теории, достаточно расположить в качестве двойной стены экспериментальной камеры полюса мощного магнита и осветить первую "стену" лучом света мощного лазера. Некоторые из фотонов лазерного света под воздействием магнитного поля должны превратиться в аксионы, которые, пройдя сквозь первую стену, столкнутся с магнитным полем второго магнита и снова превратятся в фотоны. И в результате создастся эффект, словно фотоны прошли сквозь непрозрачный барьер.

Вышеописанный принцип лег в основу эксперимента, проводимого учеными CERN. Однако, вместо использования собственного источника фотонов, датчик Солнечного аксионного телескопа (CERN Axion Solar Telescope, CAST) смотрит на Солнце, в недрах которого аксионы должны рождаться в огромных количествах. В качестве магнита этого телескопа, как упоминалось выше, был использован экспериментальный вариант одной из секций коллайдера, которая установлена на поворотном основании.

Датчик телескопа наводился на Солнце и наблюдал за ним в течении полутора часов во время восхода и заката. Если аксионы существуют на самом деле, то некоторые из них должны были превратиться под воздействием магнитного поля в фотоны рентгеновского излучения. Для усиления сигнала от рентгеновского датчика ученые CERN использовали технологии и копию аппаратных средств, созданных в свое время для рентгеновского телескопа NuSTAR.

Тем не менее, за три года наблюдений при помощи аксионного телескопа CAST, все, что было зарегистрировано его датчиками, было лишь сигналами фоновых шумов. Тем не менее, ученые уже опознали источник этих шумов и разработали технологию, которая позволит им избавиться или компенсировать помехи без искажений других сигналов. И, естественно, весь опыт, приобретенный учеными при работе с телескопом CAST, будет использован ими же при разработке конструкции и строительстве нового еще большого аксионного телескопа, получившего название IAXO.