Уникальный эксперимент Dark SRF открывает врата темной материи

Тёмные фотоны - это гипотетические частицы, которые могут быть связаны с тёмной материей - загадочным веществом, составляющим 85% всей материи во Вселенной. Однако их существование пока не подтверждено экспериментально.

Ученые из Лаборатории национального ускорителя Ферми при Министерстве энергетики США в ходе эксперимента Dark SRF демонстрируют беспрецедентную чувствительность исследовательской установки, созданной для поиска предполагаемых частиц - темных фотонов.

Ученые "ловили" обычные, массовые фотоны в устройствах, называемых сверхпроводящими радиочастотными резонаторами, чтобы отследить переход этих фотонов в предполагаемые темные аналоги. Эксперимент сумел установить наилучшую в мире ограничивающую рамку для существования темных фотонов в определенном диапазоне массы. Результаты были недавно опубликованы в Physical Review Letters.

"Темный фотон - это аналог фотона, который мы знаем и любим, но с некоторыми отличиями", - сказал Рони Харник, исследователь из Центра сверхпроводящих квантовых материалов и систем Fermilab и соавтор этого исследования.

Темная материя, составляющая 85% всей материи, наполнена неизвестным веществом, которое ученые называют "темными фотонами". Так же, как у электрона есть копии, которые отличаются по некоторым параметрам, включая мюон и тау, темный фотон будет отличаться от обычного фотона и иметь массу. Теоретически, как только они произведены, фотоны и темные фотоны могут превращаться друг в друга с определенной скоростью, заданной свойствами темного фотона.

В эксперименте ученые использовали две полые, металлические камеры для обнаружения превращения обычного фотона в фотон темной материи. В одной камере хранились обычные фотоны, в то время как другая камера оставалась пустой. Затем исследователи искали появление фотонов в пустой камере.

Этот эксперимент стал первым примером использования сверхпроводящих радиочастотных резонаторов для проведения такого рода исследований. Резонаторы, используемые в эксперименте, представляют собой полые куски ниобия. При сверхнизкой температуре эти резонаторы эффективно сохраняют фотоны.

Ученые теперь могут использовать сверхпроводящие радиочастотные резонаторы с различными резонансными частотами, чтобы охватить различные части потенциального диапазона массы для темных фотонов.

"Эксперимент Dark SRF проложил путь для нового класса экспериментов в Центре SQMS, где эти резонаторы с очень высоким Q-фактором используются в качестве чрезвычайно чувствительных детекторов", - сказала Анна Грасселлино, директор Центра SQMS и со-руководитель эксперимента. "От поиска темной материи до исследования гравитационных волн, до фундаментальных проверок квантовой механики, эти камеры с самой высокой в мире эффективностью помогут нам обнаружить новую физику".