Эксперимент QUAX исключил популярную модель темной материи: результаты сканирования на частоте 10 ГГц

Среди множества гипотез о природе темной материи одной из самых обоснованных считается существование аксиона. Эта частица была предложена теоретиками еще в 1970-х годах для решения другой фундаментальной проблемы — нарушения CP-симметрии в сильных взаимодействиях. Если аксионы существуют, они решают две задачи одновременно: объясняют свойства сильного взаимодействия и заполняют недостающую массу Вселенной.

В ноябре 2025 года международная коллаборация QUAX опубликовала в журнале Physical Review Letters отчет о новом этапе поиска этих частиц. Физикам удалось просканировать ранее недоступный высокочастотный диапазон и доказать эффективность новой технологии детектирования, работающей на пределе квантовой чувствительности.

Инженерный тупик поиска аксионов

Поиск аксионов построен на эффекте Примакова. Теория предсказывает, что в очень сильном магнитном поле аксион может превращаться в фотон. Частота этого фотона зависит от массы аксиона. Поскольку масса частицы неизвестна, ученым приходится сканировать широкий диапазон частот.

Для регистрации таких событий используются устройства, называемые галоскопами. Классический галоскоп представляет собой медный цилиндр (резонатор), помещенный в мощный магнит. Если частота фотона, рожденного из аксиона, совпадает с собственной резонансной частотой цилиндра, сигнал усиливается и может быть зафиксирован электроникой.

Долгое время поиски велись в области низких частот (малых масс аксиона). Однако последние теоретические модели, основанные на сложных компьютерных симуляциях ранней Вселенной (так называемые постинфляционные сценарии), указывают на то, что аксион может быть тяжелее — иметь массу выше 40 микроэлектронвольт. Это соответствует частотам электромагнитного излучения около 10 гигагерц и выше.

Здесь физики сталкиваются с проблемой масштабирования. Чтобы резонатор эффективно работал на высокой частоте, его геометрические размеры должны быть уменьшены. Но чем меньше объем резонатора, тем ниже вероятность взаимодействия аксиона с полем внутри него. Чувствительность детектора падает, делая поиск практически бессмысленным. Традиционные методы в этом диапазоне перестают работать.

Технологическое решение QUAX

Коллаборация QUAX предложила и реализовала новый подход, позволяющий сохранить эффективность поиска на высоких частотах. Экспериментальная установка, расположенная в Национальной лаборатории Леньяро (Италия), сочетает в себе несколько критически важных инженерных решений.

1. Диэлектрический резонатор: вместо уменьшения размеров пустой медной полости ученые поместили внутрь нее полый цилиндр из сапфира. Сапфир обладает высокой диэлектрической проницаемостью. Это свойство позволяет изменять структуру электромагнитного поля внутри резонатора, концентрируя его. В результате установка может работать на высокой частоте (около 10 ГГц), сохраняя при этом достаточно большой объем для взаимодействия с темной материей (около 1 литра). Это значительно повышает шансы на регистрацию редкого события конверсии аксиона.

2. Механизм перестройки частоты: для поиска частицы детектор должен уметь перестраиваться по частоте. В установке QUAX применен механизм, который инженеры называют «створка». Медный цилиндр, окружающий сапфир, разрезан продольно на две половины. Специальный привод способен раздвигать эти половины с микронной точностью. Изменение зазора между половинами меняет граничные условия для электромагнитного поля, что приводит к сдвигу резонансной частоты.

Сложность заключается в том, что этот механизм работает внутри криостата, при температурах, близких к абсолютному нулю (менее 0,1 Кельвина), и в вакууме. Любое трение, заклинивание или тепловыделение от мотора могло бы разрушить условия эксперимента.

3. Квантовый предел чувствительности: сигнал от превращения аксиона в фотон ожидается исчезающе слабым — его мощность исчисляется величинами порядка 10^-24 Ватт. Любой классический усилитель сигнала добавляет собственный электронный шум, который полностью перекрывает полезный сигнал.

Чтобы обойти это, в QUAX используется параметрический усилитель бегущей волны. Это устройство использует нелинейные свойства сверхпроводников для усиления сигнала. Уровень шума такого усилителя приближается к фундаментальному пределу, установленному принципом неопределенности Гейзенберга. Это так называемый квантовый предел: физически невозможно создать усилитель, который добавлял бы меньше шума.

Вся система находится внутри сверхпроводящего соленоида, создающего магнитное поле индукцией 8 Тесла.

Результаты сканирования и исключение моделей

В ходе экспериментальных сессий, проведенных в 2024 году, установка QUAX сканировала диапазон частот шириной 38 МГц вокруг центральной частоты 10,2 ГГц. Это соответствует поиску аксионов с массой около 42,2 мкэВ.

В результате анализа данных сигнал, свидетельствующий о наличии аксионов, обнаружен не был. В экспериментальной физике отрицательный результат имеет такую же научную ценность, как и положительный, поскольку он позволяет отсекать неверные теории.

На основе полученных данных физики установили верхний предел константы взаимодействия аксиона с фотоном. Чувствительность установки оказалась достаточной, чтобы проверить предсказания одной из двух главных теоретических моделей аксионов — модели KSVZ (названной по первым буквам фамилий ее авторов: Ким, Шифман, Вайнштейн, Захаров).

Результаты QUAX официально исключают существование аксионов KSVZ в исследованном узком диапазоне масс. Это означает, что в данной области частот либо аксионов не существует вовсе, либо их взаимодействие с обычной материей еще слабее, чем предполагают текущие адронные модели.

Значение для фундаментальной науки

Публикация результатов QUAX фиксирует важный методологический переход в астрофизике частиц.

Во-первых, доказана работоспособность концепции диэлектрических галоскопов с механической перестройкой. Это открывает дорогу для создания детекторов следующего поколения, способных эффективно работать в еще более высоких частотных диапазонах, куда сейчас смещается фокус теоретических предсказаний.

Во-вторых, использование квантовых усилителей становится стандартом для экспериментов такого класса. Без технологий, заимствованных из области квантовых вычислений, дальнейший поиск темной материи был бы невозможен из-за ограничений по соотношению сигнал/шум.

В ближайших планах коллаборации — модернизация магнитной системы и расширение диапазона сканирования. Ожидается, что обновленная установка сможет проверить наличие аксионов в диапазоне от 9,5 до 11 ГГц. Методичное сканирование частот позволяет физикам постепенно сужать пространство параметров, в котором может скрываться темная материя.

Источник: Physical Review Letters