Самый чувствительный в мире эксперимент ALPS II по поиску необычно лёгких частиц, из которых может состоять тёмная материя, стартовал 23 мая в немецком исследовательском центре физики частиц DESY.
Научные расчёты предсказывают, что эта странная форма материи должна встречаться во Вселенной в пять раз чаще, чем обычная, видимая материя. Однако до сих пор никому не удавалось обнаружить частицы этой материи; эксперимент ALPS теоретически может их найти.
Эксперимент ALPS (Any Light Particle Search), общая длина установки которого составляет 250 метров, ищет особенно лёгкий тип новой элементарной частицы, при этом не делая предпочтений какой-то конкретной физической модели тёмной материи. Используя двадцать четыре сверхпроводящих магнита, переработанных из тех, что использовались в ускорителе HERA, мощный лазерный луч, прецизионную интерферометрию и высокочувствительные детекторы, международная исследовательская группа хочет найти эти так называемые аксионы или аксионоподобные частицы.
Аксионы — это гипотетические элементарные частицы, поддерживающие теорию физика-теоретика Роберто Печчеи и его коллеги Хелен Куинн, выдвинутую в 1977 году для решения проблемы сильного взаимодействия — одной из четырёх фундаментальных сил природы. В 1978 году физики-теоретики Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг предложили новую частицу для работы этого механизма. Поскольку эта частица должна была как бы «очистить» теорию, Вильчек назвал её «аксион» в честь популярного моющего средства. Ряд различных расширений Стандартной модели физики частиц предсказывает существование аксионов или аксионоподобных частиц.
Считается, что такие частицы очень слабо взаимодействуют с известными видами материи, что означает, что их невозможно обнаружить в экспериментах с использованием обычных ускорителей. Поэтому ALPS прибегает к совершенно иному принципу их обнаружения: в сильном магнитном поле фотоны могут превращаться в эти загадочные элементарные частицы, а затем снова в свет. «Идея эксперимента, подобного ALPS, существует уже более 30 лет. Используя компоненты и инфраструктуру бывшего ускорителя HERA, а также самые современные технологии, мы впервые смогли реализовать ALPS II в рамках международного сотрудничества», — говорит Беате Хайнеманн, директор отдела физики элементарных частиц DESY. Гельмут Дош, председатель совета директоров DESY, добавляет: «DESY поставил перед собой задачу расшифровать материю во всех её различных формах. Поэтому ALPS II идеально вписывается в нашу исследовательскую стратегию, и, возможно, он откроет двери к обнаружению тёмной материи».
Команда ALPS направляет высокоинтенсивный лазерный луч вдоль оптического резонатора в вакуумную трубу длиной около 120 метров, в которой луч отражается назад и вперёд. Труба окружена двенадцатью магнитами HERA, расположенными по прямой линии. Если бы фотон превратился в аксион в сильном магнитном поле, то аксион мог бы пройти через непрозрачную стенку в конце линии магнитов. Пройдя через стену, он попал бы на другую магнитную дорожку, почти идентичную первой. Здесь аксион может снова превратиться в фотон, который будет уловлен детектором в конце. Там же установлен второй оптический резонатор, чтобы увеличить вероятность превращения аксиона обратно в фотон в 10 000 раз. «Однако, несмотря на все наши технические ухищрения, вероятность превращения фотона в аксион и обратно очень мала, — говорит Аксель Линднер из DESY, руководитель проекта и представитель коллаборации ALPS, — всё равно, что бросить 33 игральные кости так, чтобы все они выпали одинаково».
