аксионы не находятся в тепловом равновесии с другими частицами в момент своего образования – то есть когда отдельные кварки объединялись в сложные частицы, включая протоны и нейтроны. Квантовая физика предсказывает, что аксионы образовали так называемый бозе-эйнштейновский конденсат, в котором большие группы одинаковых частиц ведут себя, как если бы это была одна частица. Из-за этого, несмотря на свою малую массу, аксионы оказываются «холодными» частицами.
Ну хорошо, возможно, что аксионы существуют и даже могут стать решением тайны темной материи. Замечательно. Но как мы сможем их обнаружить?
Хорошая новость состоит в том, что, несмотря на отсутствие у них собственного электрического заряда, аксионы не совсем невосприимчивы к электромагнитным силам. Под действием сильного магнитного поля невидимый аксион может превратиться в видимый фотон и наоборот, а длина волны фотона (частицы света) непосредственно связана с массой аксиона. Это обстоятельство легло в основу ряда экспериментов. Например, с 2003 года на Солнечном аксионном телескопе ЦЕРНа (CERN Axion Solar Telescope, CAST) в Женеве осуществляется поиск сравнительно массивных солнечных аксионов7. Если такие аксионы образуются в солнечном ядре в процессе взаимодействия высокоэнергичного рентгеновского излучения с заряженными частицами, то они в огромном количестве должны достигать Земли и под действием сильного магнитного поля часть из них должна превращаться обратно в рентгеновские фотоны. В телескопе CAST используется списанный пробный сверхпроводящий магнит Большого адронного коллайдера вместе с высокочувствительными детекторами рентгеновского излучения в надежде обнаружить искомый процесс – но пока без особого успеха.
В расположенной в Гамбурге (Германия) исследовательской лаборатории DESY участники физического эксперимента ALPS (Any Light Particle Search – «Поиск любой легкой частицы») используют другой метод: они пытаются светить инфракрасным лазером сквозь стену8. В обычных условиях никакой фотон не способен пройти сквозь непрозрачный барьер, но в условиях сильного магнитного поля некоторые из фотонов могут, еще не дойдя до стены, превратиться в аксионы (или аксионоподобные частицы). Аксионы практически ни с чем не взаимодействуют и поэтому свободно проходят через барьер, а на той стороне под действием того же магнитного поля могут превратиться обратно в фотоны, которые уже вполне можно обнаружить. Это замечательная стратегия, но, как и в случае эксперимента CAST, до сих пор никаких признаков аксионов обнаружить не удалось.
Но, пожалуй, самый потрясающий аксионный детектор – как минимум с точки зрения охотников за темной материей – находится в университете штата Вашингтон в Сиэттле. Это Axion Dark Matter eXperiment (ADMX), в основе которого лежит идея, предложенная Пьером Сикиви из Флоридского университета9. С помощью этой установки ученые пытаются обнаружить очень маломассивные аксионы, которых может быть очень много в гало нашей Галактики, – поэтому Сикиви назвал инструмент аксионным галоскопом10. Он представляет собой охлажденный почти до абсолютного нуля цилиндрический вакуумный сосуд (так называемая резонансная полость), окруженный магнитом с полем в 8 тесла – это в 2000 раз сильнее поля обычного магнитика на холодильнике. Под действием сильного магнитного поля некоторые аксионы гало могут иногда превращаться в СВЧ-фотоны. Ожидаемый при этом сигнал (не больше 10–21 ватт, или 1 зептоватта) может быть зарегистрирован с помощью сверхпроводящих квантовых усилителей.
Задуманный еще в 1990-х годах, эксперимент ADMX сейчас представляет собой международный проект с участием ученых из 12 институтов из США, Великобритании и Германии и финансируется главным образом за счет министерства энергетики США. Аксионный галоскоп может настраиваться на ряд микроволновых частот, соответствующих аксионным массам от 1 до 40 микроэлектронвольт (мкэВ). На момент написания этих строк однозначно исключены значения масс между 2,66 и 3,31 мкэВ, но рано или поздно будет исследован весь диапазон возможных масс.
Хотя целенаправленные поиски аксионов до сих пор не увенчались успехом, в ходе выполнения проекта XENON Елены Априле был получен интересный результат. Во время проведения первой серии научных наблюдений на установке XENON1T с февраля 2017 по февраль 2018 года был обнаружен небольшой избыток событий малой энергии – несколько десятков слабых сигналов, причиной которых было взаимодействие не с ядрами атомов ксенона, как можно было бы ожидать в случае вимпов, а с электронами этих атомов. Такие события с электронами отдачи обычно являются результатом фонового шума – например, связанного с радиоактивным распадом атомов радона или криптона, – но после тщательного анализа участники проекта так и не смогли объяснить происхождение событий с энергиями между 2 и 3 кэВ.
Одно из возможных объяснений, которое участники проекта XENON рассмотрели в статье, опубликованной ими в октябре 2020 года в журнале Physical Review D, состоит в существовании аксионов – но только не тех, что претендуют на роль холодной темной материи, а быстродвижущихся аксионов, возникающих в солнечном ядре и более или менее напоминающих предмет поисков в эксперименте CAST11. Если результат подтвердится, то это станет открытием исключительной важности, но вообще-то нельзя исключить и гораздо более простое объяснение: похожий избыток событий может быть результатом неучтенного ничтожно малого избытка примеси атомов радиоактивного трития в жидком ксеноне – достаточно всего несколько атомов на килограмм. Возможно, что ко времени опубликования этой книги проблема будет решена благодаря данным гораздо более высокочувствительного эксперимента на более крупной установке XENONnT или данным конкурирующего американского эксперимента LUX-ZEPLIN.
Стерильные нейтрино и аксионы были впервые предложены несколько десятков лет назад в попытке решить назревшие проблемы физики элементарных частиц. Но вскоре после этого отчаявшиеся охотники за темной материей сочли их возможными кандидатами на роль невидимой гравитирующей массы во Вселенной. Правда, существование обеих частиц остается чисто гипотетическим, и через пару десятков лет они вполне могут отправиться на все растущую свалку тупиковых теоретических построений и отвергнутых гипотетических частиц.
Пришло время начать искать еще более экзотические альтернативы.
24. Темный кризис
Амстердам – город-призрак. На площади напротив построенного в XIX веке вокзала почти никого нет. Вдоль каналов не разъезжают туристы, никаких пьяных британских хулиганов в Квартале красных фонарей. Нет очереди американских туристов, желающих попасть в музей Ван Гога. Большая часть школ, театров и магазинов закрыты. Люди работают из дома, стараясь избегать личных контактов.
Несмотря на принятые нидерландским правительством строгие карантинные меры я лично встречаюсь с физиком-теоретиком Эриком Верлинде в его небольшом кабинете в пугающе тихом Амстердамском университете 1. На лицах у нас маски. Мы не пожимаем друг другу руки и соблюдаем дистанцию. Как и большинство ученых, Верлинде относится к невидимому коронавирусу очень серьезно. Но при этом он не верит в темную материю.
Это было в декабре 2020 года, и я делаю первое очное интервью за шесть месяцев. Пандемия ковида серьезно нарушила
