В Гамбурге, в бывшем экспериментальном зале HERA, начал работу детектор BabyIAXO — прототип Международной аксионной обсерватории. Установка с десятиметровым сверхпроводящим магнитом будет ежедневно следить за Солнцем и искать аксионы — гипотетические частицы, которые могли бы объяснить тёмную материю и разрешить загадку сильной CP-проблемы.

Загадка, которую не смог решить предшественник

Около 27 процентов Вселенной состоит из тёмной материи. Её присутствие подтверждают наблюдения вращения галактик, гравитационное линзирование и реликтовое излучение. Но эта материя выдаёт себя только через гравитацию: она не излучает свет и не соответствует ни одной известной частице. Десятилетиями главным кандидатом были WIMP — слабо взаимодействующие массивные частицы. Эксперименты прочесали почти всё предсказанное пространство параметров и ничего не нашли.

Теперь самым многообещающим кандидатом считаются аксионы. Их предложили в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн, но не для объяснения тёмной материи, а для решения другой проблемы — сильной CP-проблемы. Сильное ядерное взаимодействие, описываемое квантовой хромодинамикой, теоретически должно нарушать CP-симметрию, то есть различать материю и её зеркальное отражение. Однако на практике этого не происходит. Механизм Печчеи-Куинн добавляет в теорию новую симметрию и объясняет отсутствие нарушения. Побочным продуктом оказывается невероятно лёгкая электрически нейтральная частица — аксион. То, что она также подходит на роль холодной тёмной материи, стало удачным открытием космологии уже позже.

Как поймать частицу, которая почти ни с чем не взаимодействует

В ядре Солнца температура достигает примерно 15 миллионов градусов Цельсия. Согласно теории, аксионы рождаются там через процесс Примакова: тепловые фотоны взаимодействуют с сильным электрическим полем ядер солнечной плазмы и частично превращаются в аксионы. Поскольку аксионы взаимодействуют крайне слабо, они беспрепятственно покидают Солнце и разлетаются во всех направлениях — фактически быстрее, чем свет добирается до нас, ведь они почти ни с чем не сталкиваются.

Аксионный гелиоскоп обращает этот процесс вспять. Магнит установки создаёт сильное магнитное поле. Аксионы, пролетающие через его апертуру, могут превратиться обратно в рентгеновские фотоны через обратный эффект Примакова. Эти фотоны фокусируются рентгеновским телескопом на крошечную область детектора. Если сигнала нет — аксионы не найдены, но ограничения на их связь с фотонами становятся жёстче. Если сигнал появится — это открытие.

Эксперимент CAST (CERN Axion Solar Telescope) проверял этот принцип в ЦЕРНе с 2003 по 2021 год. Он использовал переработанный дипольный магнит Большого адронного коллайдера длиной десять метров с полем девять тесла и ежедневно отслеживал Солнце примерно по 90 минут на восходе и закате. CAST не нашёл аксионов, но установил новые пределы: связь аксиона с фотоном должна быть ниже точно определённого порога.

Гамбург принимает эстафету

BabyIAXO — преемник CAST и прототип Международной аксионной обсерватории (IAXO). Он разместился в южном зале HERA в DESY (Немецкий электронный синхротрон) в Гамбурге, где когда-то работал электрон-протонный коллайдер HERA.

Сердце установки — сверхпроводящий тороидальный магнит из алюминий-стабилизированного Rutherford-кабеля Nb-Ti/Cu длиной десять метров, создающий поле около двух тесла. Через систему проходят два канала диаметром по 70 сантиметров. В каждом канале размещена полная линия детектирования с рентгеновской оптикой и детектором. Таким образом, BabyIAXO одновременно измеряет два независимых сигнальных канала — то, чего CAST не мог. Как и предшественник, вся установка ежедневно поворачивается вслед за Солнцем.

Ввод магнита в эксплуатацию запланирован на 2026 год. Первые научные данные ожидаются не раньше 2029 года, когда все линии детекторов будут установлены и откалиброваны. Международная коллаборация включает группы из ЦЕРНа, Испании, Франции и Германии. С немецкой стороны участвуют Институт физики Макса Планка в Мюнхене и Физический институт Боннского университета. DESY предоставляет инфраструктуру и экспериментальный зал.

Двойная миссия: открытие или аргумент для большего инструмента

BabyIAXO задуман как двойной эксперимент: с одной стороны, это полностью функциональный гелиоскоп с собственным потенциалом открытия; с другой — испытательный стенд для будущего IAXO. Тот инструмент будет включать 20-метровый магнит с восемью линиями детектирования и окажется примерно в 10 000 раз чувствительнее CAST. Место размещения IAXO пока не определено.

Если BabyIAXO найдёт аксионы, разом ответятся два самых упрямых открытых вопроса фундаментальной физики: природа тёмной материи и сильная CP-проблема. Это стало бы самым значительным открытием в физике элементарных частиц после бозона Хиггса в 2012 году. Если же BabyIAXO ничего не найдёт, это не провал, а сильнейший аргумент в пользу IAXO. Ограничения станут жёстче, оставшееся пространство поиска сузится, и где-то внутри него, согласно теории, должен прятаться аксион.

Тёмная материя — не спекуляция. Её гравитационное воздействие измерено в сотнях галактик. Не хватает лишь частицы. В южном зале HERA в Гамбурге она, возможно, оставит первый сигнал.

Кстати, охота на тёмную материю идёт не только в ускорительных центрах. Мы уже рассказывали о заброшенной шахте в Альпах, которая может стать ловушкой для тёмной материи благодаря рекордно низкому уровню помех: шахта-призрак в Альпах станет ловушкой для тёмной материи. А если аксион действительно существует, он может оказаться не только частицей тёмной материи, но и ключом к загадке, почему галактики иногда растут без тёмной материи — об этом мы писали в материале галактики растут без тёмной материи — «Гершель» ломает теорию.