Ученые разрабатывают инструменты для поиска неуловимых аксионных частиц

С тех пор как аксионы были впервые предсказаны теорией почти полвека назад, исследователи искали доказательства существования неуловимой частицы, которая может существовать за пределами видимой Вселенной, в темном секторе. Но как найти частицы, которые нельзя увидеть? Первые физические результаты эксперимента Coherent CAPTAIN-Mills в Лос-Аламосе, только что описанные в публикации в журнале Physical Review D, предполагают, что эксперименты с жидким аргоном на ускорителе, изначально предназначенные для поиска подобных гипотетических частиц, таких как стерильные нейтрино , также может быть идеальной установкой для поиска скрытых аксионов.

«Подтверждение существования частиц темного сектора окажет глубокое влияние на понимание Стандартной модели физики элементарных частиц, а также на происхождение и эволюцию Вселенной», — сказал физик Ричард Ван де Уотер. «Особое внимание физического сообщества уделяется изучению способов обнаружения и подтверждения этих частиц. Эксперимент «Когерентный КАПИТАН-Миллс» объединяет существующие предсказания о частицах темной материи, таких как аксионы, с ускорителями частиц высокой интенсивности, способными создавать эту труднообнаружимую темную материю. иметь значение."

Теория физики предполагает, что только 5% Вселенной состоит из видимой материи — атомов, которые образуют вещи, которые мы можем видеть, осязать и чувствовать, — а остальные 95% — это комбинация материи и энергии, известная как темный сектор. Аксионы, стерильные нейтрино и другие вещества могут объяснить и объяснить всю или часть этой недостающей плотности энергии.

Существование аксионов также могло бы решить давнюю проблему Стандартной модели, которая описывает известное поведение субатомного мира. Аксионы, которые иногда называют «окаменелостями» Вселенной и предположительно возникли всего через секунду после Большого взрыва, также могут многое рассказать нам о моментах основания Вселенной.

Эксперимент Coherent CAPTAIN-Mills был одним из нескольких проектов, получивших финансирование Министерства энергетики на исследования темного сектора в 2019 году, а также значительное финансирование в рамках программы исследований и разработок под руководством лаборатории в Лос-Аламосе. Прототип детектора, получивший название CCM120, был построен и запущен во время лучевого цикла Лос-Аламосского нейтронного научного центра (LANSCE) в 2019 году. В публикации Physical Review D описаны результаты первоначального проектирования CCM120.

«Основываясь на первом исследовании КАПИТАНА-Миллса, эксперимент продемонстрировал возможность поиска аксионов», — сказал Билл Луис, также физик, участвующий в проекте в Лос-Аламосе. «Мы понимаем, что энергетический режим, обеспечиваемый протонным пучком в LANSCE, и конструкция детектора жидкого аргона предлагают неизведанную парадигму для исследования аксионоподобных частиц».

Эксперимент Coherent CAPTAIN-Mills, расположенный в Центре Лухан рядом с LANSCE, представляет собой 10-тонный переохлажденный детектор жидкого аргона. (CAPTAIN означает «Криогенный аппарат для прецизионных испытаний реакций аргона с нейтрино».)

Высокоинтенсивные протоны с энергией 800 мегаэлектронвольт, генерируемые ускорителем LANSCE, поражают вольфрамовую мишень в Центре Лухан, а затем проходят 23 метра через обширную стальную и бетонную защиту и достигают детектора, чтобы взаимодействовать с жидким аргоном.

Внутренние стенки прототипа детектора облицованы 120 восьмидюймовыми чувствительными фотоумножителями (отсюда и название CCM120), которые обнаруживают световые вспышки – одиночные фотоны – которые возникают, когда частица обычного или темного сектора сталкивается с атомом в резервуаре с жидким аргоном. Специальное покрытие из материала на внутренних стенках преобразует световое излучение аргона в видимый свет, который может быть обнаружен фотоумножителями. Быстрая синхронизация детектора и луча помогает устранить влияние фоновых частиц, таких как нейтроны пучка, космические лучи и гамма-лучи, в результате радиоактивного распада.

Аксионы представляют большой интерес, поскольку они «высоко мотивированы»; то есть их существование строго подразумевается в теориях, выходящих за рамки Стандартной модели. Стандартная модель, разрабатывавшаяся более 70 лет назад, объясняет три из четырех известных фундаментальных сил – электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие – которые управляют поведением атомов, строительных блоков материи. (Четвертая сила, гравитация, объясняется теорией относительности Эйнштейна.) Но модель не обязательно является полной.