Физики ограничили параметры аксионной темной материи

Китайские физики поставили новые лабораторные ограничения на взаимодействие аксионной темной материи с веществом. Для этого они несколько недель искали редкие и непредсказуемые транзиентные сигналы в распределенной сети квантовых датчиков и не нашли статистически значимых событий. Результаты опубликованы в Nature.  

Согласно современным представлениям, во Вселенной помимо обычного вещества существует еще темная материя. Она выдает себя по гравитации, но пока не проявила никаких надежных негравитационных взаимодействий. Среди кандидатов на ее роль давно обсуждают сверхлегкие частицы — аксионы и аксионоподобные частицы, которые могут не только вести себя как поле, но и собираться в макроскопические конфигурации. Один из таких сценариев предполагает существование топологических дефектов, например, доменных стенок — областей пространства, где значение аксионного поля быстро меняется. Если Земля пересекает такую стенку, то градиент поля должен действовать на спины как краткий псевдомагнитный импульс и поворачивать их на очень небольшой угол — именно это и можно попытаться поймать в лаборатории.  

Группа физиков под руководством Цзян Мина (Min Jiang) и Пэна Синьхуа (Xinhua Peng) из Университета науки и технологий Китая построила сеть из пяти датчиков на основе гиперполяризованных ядер ксенона-129. Четыре установки работали в одной лаборатории в Хэфэе, еще одна — в Ханчжоу, на расстоянии около 320 километров. Ученые синхронизировали время на всех площадках по GPS. Внутри каждого датчика пары рубидия-87 производили оптическую накачку ксенона и одновременно служили считывателем: поворот ядерных спинов ксенона запускал затухающую прецессию, которую рубидиевый магнитометр видел как эффективное магнитное поле. Авторы усиливали сигнал примерно в 150 раз при помощи спинового усиления и в 20 раз подавляли шум при помощи оптимальной фильтрации. В итоге чувствительность к углу поворота спина дошла до уровня нескольких микрорадиан.

Поиск длился с 20 июля по 31 августа 2022 года и дал в общей сложности 739 часов эффективных данных. Каждый час сеть калибровали импульсом, который поворачивал спины на известный угол, чтобы отслеживать чувствительность. Алгоритм отбирал кандидаты на события, затем сравнивал их с фоном, полученным при помощи компьютерного моделирования. В итоге значимых пересечений топологических дефектов авторы не обнаружили. Отсутствие сигнала исследователи перевели в наилучшее на сегодняшний день ограничение на связь аксиона с нуклонами в диапазоне масс от 10 пикоэлектронвольт до 0,2 микроэлектронвольта. 

Ранее мы писали о том, что глобальная сеть магнитометров GNOME тоже искала похожие транзиентные эффекты и не нашла аксионной темной материи, но поставила свои ограничения на параметры моделей.