Обнаружение аксиона может ознаменовать ключевой этап в истории науки. Эта гипотетическая частица может помочь разрешить сразу две фундаментальные проблемы современной физики: проблему четности и заряда для сильного взаимодействия, а также загадку темной материи. Однако, несмотря на большой научный интерес, поиск этих частиц на высоких радиочастотах – свыше 6 гигагерц – был почти прекращен по причине отсутствия технологии, которая позволила бы проводить высокочувствительные наблюдения при умеренных затратах финансовых средств. Так обстояло дело до настоящего момента.

Канарский астрофизический институт (Instituto de Astrofísica de Canarias, IAC) войдет в состав международной коллаборации, разрабатывающей эксперимент DALI (Dark-photons & Axion-Like particles Interferometer), телескоп для поисков темной материи, научная цель которого будет состоять в поисках аксионов и парафотонов в диапазоне от 6 до 60 гигагерц. Концептуальный прототип находится в настоящее время на этапе разработки и производства в институте IAC.

Предсказанный теорией в 1970-е гг., аксион представляет собой гипотетическую частицу небольшой массы, которая слабо взаимодействует с обычными частицами, такими как нуклоны и электроны, а также фотоны. Для обнаружения аксионов используются все эти возможные взаимодействия, попытки регистрации которых проводятся при помощи различных научных инструментов. Один из перспективных методов состоит в изучении взаимодействия между аксионами и обычными фотонами.

«Аксионы «смешиваются» с фотонами под действием мощного внешнего магнитного поля, такого как поле, генерируемое сверхпроводящими магнитами, которыми оснащают детекторы частиц, или которые используются при медицинской диагностике, проводимой с помощью магнитного резонанаса, и формируют слабый сигнал в радиодиапазоне. Для поисков этого сигнала было предпринято большое число попыток, считая с конца 1980-х гг., и именно такой сигнал теперь планируется обнаружить при помощи детектора DALI – хотя и в новом, не использовавшимся для этих целей никогда прежде диапазоне параметров, который впервые станет доступным, благодаря этому эксперименту», — сказал Хавьер Де Мигель (Javier De Miguel), исследователь из IAC и первый автор исследования.

В первых детекторах аксионов, построенных в 80-е и 90-е гг. прошлого столетия, была использована полость для резонанса, усиливающая внутри сверхпроводящего магнита слабый микроволновой сигнал, который ожидалось наблюдать со стороны аксиона, до достижения мощности, соответствующей нижнему пределу обнаружения современных научных инструментов. К сожалению, размер этой полости обратно пропорционален частоте, на которой производится сканирование, и для аксиона размер этой полости оказывался слишком мал при работе на частотах свыше 6 гигагерц.

Поэтому в этом новом эксперименте были собраны воедино наиболее перспективные методы сканирования на высоких частотах и воплощены в практичной конструкции, к которой также были добавлены возможности детектора космических частиц для целей поисков гипотетической аксионной темной материи. Поэтому инструмент DALI включает мощный сверхпроводящий магнит, аксионный детектор с резонатором новой конструкции, способным усилить слабый сигнал аксиона, а также альтазимутальную установку, которая позволит сканировать при помощи этого телескопа объекты и участки неба в поисках темной материи, пояснили авторы работы.