Счет одиночных фотонов: шаг к разгадке темной материи

Большая команда российских ученых из ведущих институтов Москвы, Нижнего Новгорода, Сарова и Санкт-Петербурга представила амбициозный проект нового эксперимента по поиску аксионов — гипотетических частиц, которые считаются одними из главных кандидатов на роль темной материи. Новая установка получила название «Космологический Аксионный Саровский Галоскоп» (CASH). Ее уникальные однофотонные детекторы на основе джозефсоновских переходов позволят преодолеть фундаментальный квантовый предел чувствительности и исследовать ранее недоступные диапазоны масс. Если эксперимент удастся, это может пролить свет на природу загадочной субстанции, составляющей более 80% всей материи во Вселенной. Подробности опубликованы в журнале Physical Review D.

Вселенная, которую мы видим, — лишь вершина айсберга. Обычная материя — звезды, планеты и мы с вами — составляет менее пятой части всей массы Вселенной. Остальное — темная материя, о существовании которой мы знаем только по гравитационному воздействию на галактики. Одной из наиболее элегантных гипотез о природе этой материи является теория аксиона. Изначально частица была предложена почти полвека назад для решения одной из проблем в физике сильных взаимодействий, но позже выяснилось, что она обладает свойствами идеального кандидата на роль темной материи: аксионы очень легкие, почти не взаимодействуют с обычным веществом и могли быть созданы в огромных количествах в ранней Вселенной.

Если наша галактика действительно окружена «облаком» этих частиц, их можно попытаться обнаружить. Идея галоскопов заключается в том, что в сильном магнитном поле аксион с очень малой вероятностью превращается в фотон — частицу света. Задача экспериментаторов — поймать этот чрезвычайно слабый сигнал.

Для этого создаются специальные резонаторные полости, помещенные в мощное магнитное поле. Если частота резонатора совпадет с частотой, соответствующей массе аксиона, сигнал усиливается — процесс напоминает попытку услышать едва различимый шепот в шумной комнате. Резонатор действует как слуховой аппарат: он усиливает нужный «звук» и отсекает все остальные. Проблема в том, что масса аксиона неизвестна, а значит, и нужная частота — тоже. Поэтому ученым приходится медленно «сканировать» диапазон частот, перестраивая резонатор. Главным препятствием становится шум: даже при сверхнизких температурах в установке остается тепловой шум, а сами детекторы добавляют квантовый шум. Этот предел чувствительности, известный как стандартный квантовый предел (SQL), долго считался непреодолимым.

Проект CASH призван решить именно эту проблему. Российские ученые предлагают использовать принципиально новый тип детектора, который работает не как усилитель, а как счетчик одиночных фотонов. В его основе — джозефсоновский переход: сверхпроводящее устройство, которое при поглощении одного микроволнового фотона резко меняет состояние, переходя из сверхпроводящего в резистивное. Такое переключение легко зарегистрировать.

Этот подход позволяет полностью избавиться от шума усилителя и напрямую считать фотоны, рожденные из аксионов. Чувствительность системы ограничивается только «темновыми срабатываниями» — ложными сигналами, вызванными, например, квантовым туннелированием или внешними помехами. Российские детекторы уже демонстрируют рекордно низкий уровень темновых срабатываний — менее одного ложного сигнала за 100 секунд, что в разы лучше традиционных систем.

Дмитрий Горбунов, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ, прокомментировал: «Мы предлагаем не просто улучшить существующие методы, а совершить качественный скачок. Традиционные галоскопы пытаются усилить слабый сигнал, неизбежно усиливая вместе с ним и шум. Мы же идем другим путем: мы не усиливаем, а считаем. Наш детектор настолько чувствителен, что может зарегистрировать рождение одного-единственного фотона из аксиона. Это позволяет нам работать на уровне чувствительности, который ранее считался недостижимым, и заглянуть далеко за стандартный квантовый предел».

Проект будет реализован в два этапа. На первом, CASH-I, используется фиксированная медная полость и магнит с полем 1,7 Тесла. Даже на фиксированной частоте эксперимент за 12 дней превзойдет все существующие аналоги по чувствительности в этом диапазоне масс. Второй этап, CASH-II, предполагает более мощный магнит до 10 Тесла и возможность перестройки частоты резонатора. В течение года можно будет просканировать ранее недоступный диапазон масс аксионов от 38 до 54 микроэлектронвольт с чувствительностью, достаточной для проверки самых пессимистичных теоретических моделей. Графики из статьи показывают, что проект сможет исследовать «белые пятна» на карте параметров аксиона, недоступные другим мировым экспериментам.

Уникальность CASH заключается не только в однофотонных детекторах, но и в комплексном подходе к подавлению шумов. Установка будет охлаждаться до сверхнизких 10–20 мК в рефрижераторе растворения, практически исключая тепловые фотоны. Разрабатывается сложная система защиты от вибраций и электромагнитных помех.
Этот эксперимент открывает новую страницу в охоте за темной материей. Если аксионы будут найдены, человечество получит первый прямой взгляд на самую загадочную субстанцию во Вселенной. Если нет — ограничения позволят исключить целый класс теорий и направят поиски в другом направлении. В любом случае, проект CASH станет одним из самых чувствительных инструментов для изучения фундаментальных законов физики.

Источник: Российские физики предложили искать темную материю посреди квантового шума — За науку