Эксперимент CROWS по поиску гипотетических сверхлегких частиц дал отрицательный результат

Ключевые компоненты установки CROWS: резонатор со стоячей волной (1) и детекторная камера, заэкранированная от электромагнитных волн (2). Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. D

В ЦЕРНе завершился эксперимент CROWS по поиску так называемых «виспов» — гипотетических сверхлегких и очень слабо взаимодействующих частиц за пределами Стандартной модели. Как и предыдущие эксперименты, CROWS показал отрицательный результат, закрыв тем самым еще одну область параметров в моделях Новой физики. В целом такие эксперименты позволяют прощупать новые грани нашего мира и тем самым дополняют эксперименты при очень высоких энергиях.

Физика частиц на масштабе меньше электронвольта

Современные эксперименты в физике элементарных частиц ведутся в области масс вплоть до тераэлектровольт (ТэВ) и выше. Многие физики ожидают где-то нам найти первые проявления физики за пределами Стандартной модели. Но наряду с этими Тэвными массами и энергиями существует и другой масштаб, который тоже привлекает внимание ученых в поисках Новой физики, — это массы меньше электронвольта.

Во-первых, здесь «обитают» нейтрино. Точные массы нейтрино пока неизвестны, но их разность лежит в районе миллиэлектронвольтов (мэВ; не путать с МэВ — мегаэлектровольтами). Раз массы нейтрино таковы, то должен существовать какой-то механизм в теории взаимодействий частиц, который в силу каких-то причин этот масштаб предпочитает. А это, в принципе, может означать, что тут «живут» и какие-то другие частицы, еще более незаметные для прямого наблюдения, чем нейтрино.

Во-вторых, знаменитая космологическая постоянная, если ее пересчитать в энергетические единицы, тоже указывает на область масс порядка мэВ. Как это число интерпретировать в таком контексте — не совсем понятно, но просто так отбрасывать этот возможный намек природы не стоит.

В-третьих, в разнообразных теориях Новой физики встречаются сверхлегкие частицы разной природы. Это, например, аксионы (гипотетические скалярные частицы, помогающие объяснить, почему в сильном взаимодействии не проявляется CP-нарушение) или сверхлегкие гравитино, которые иногда возникают в теориях супергравитации. Наконец, с недавних пор популярны такие модели Новой физики, в которых темная материя представляет собой не просто один сорт частиц, а, скорее, целый «темный мир», в котором между частицами действуют новые «темные силы». Эти новые силы, к которым обычное вещество нечувствительно, вполне могут оказаться дальнодействующими, и тогда ответственные за них частицы-переносчики — которые условно называются «темные фотоны» — будут очень легкими, с массами в милли- или микроэлектровольты, а то и меньше.

У всех этих разнородных частиц есть общие характеристики: маленькие массы и очень слабое (но ненулевое!) взаимодействие с обычным веществом или излучением. Поэтому их часто объединяют общим термином виспы, от английского сокращения WISPs, weakly interacting sub-eV particles, слабо взаимодействующие частицы субэлектронвольтных масс (здесь есть параллель с вимпами, WIMPs, weakly interacting massive particles). Подробный обзор моделей с виспами можно найти в недавней статье arXiv:1311.0029.

Слабые эффекты, вызванные виспами, можно попытаться уловить в специальных, довольно экзотических экспериментах (примеры см. ниже). Поскольку такие частицы явно выходят за пределы Стандартной модели, они могут дать ключ к разгадке происхождения темной материи. Конечно, нет никакой гарантии, что эксперименты по поиску таких новых эффектов дадут положительный результат. Но пока что положительных результатов по поиску Новой физики не было и на коллайдерах, и в прямых поисках темной материи. Поэтому есть смысл ставить и такие эксперименты, особенно если они не требуют слишком больших финансовых вложений. В конце концов, одна из задач экспериментальной физики — проверять все свойства нашего мира, до которых эта экспериментальная физика может дотянуться.

Подобные эксперименты начали ставить в разных лабораториях мира не так давно, но их уже выполнено более десятка (опять же, обзор см. в статье arXiv:1311.0029). Участвует в этой деятельности и ЦЕРН, где уже около десяти лет работает импровизированный солнечно-аксионный телескоп CAST. В дополнение к нему в 2013 году был запущен новый, уже чисто лабораторный эксперимент CROWS (сокращение от CERN Resonant WISP Search).

В рамках этого эксперимента летом и осенью нынешнего года была проведена серия поисков виспов, а на днях были опубликованы их результаты. Забегая вперед, скажем, что, как и предыдущие эксперименты, эти поиски тоже дали отрицательные результаты — иначе бы эта новость была написана совсем в других тонах. И как водится в таких случаях, эти отрицательные результаты позволили закрыть еще один кусочек из доступной ранее области параметров модели. Никаких революционных последствий этот и другие такие эксперименты (пока) не имеют, но они дают удобный повод рассказать о тех нестандартных методах изучения микромира, которые появляются в инструментарии современной физики.

«Свечение лазером сквозь стену»

Поиски аксионов и «темных фотонов» делятся на две группы: прямые и непрямые. Так же, как и в случае поисков темной материи, непрямыми поисками называют попытки обнаружить воздействие этих частиц на астрофизические наблюдения, а прямыми — эксперименты, проводимые непосредственно в лаборатории. Эксперимент CROWS, о котором идет речь в этой заметке, относится к прямым поискам.

Даже если виспы являются хорошими кандидатами в темную материю, зарегистрировать ее по тому же принципу, по которому ищут тяжелую темную материю, будет исключительно трудно из-за ничтожного энерговыделения. Поэтому опыты здесь выглядят несколько иначе. Вместо того чтобы искать космические виспы, ученые пытаются их непосредственно получить, а затем задетектировать в лаборатории. Можно сказать, что цель таких экспериментов — скорее, доказать существование виспов в природе, а уж как они соотносятся с темной материей — вопрос второстепенный.

Как виспы можно создать и зарегистрировать в лаборатории? Только за счет их очень слабого взаимодействия с фотонами. Благодаря этому взаимодействию виспы и обычные фотоны могут иногда превращаться друг в друга (либо самостоятельно, либо в определенных внешних условиях), а значит, виспы можно попытаться найти в оптических экспериментах.

Например, в случае аксионов идея детектирования такова. Мощный лазерный луч летит в вакууме сквозь область с сильным магнитным полем (рис. 2). В классической физике это внешнее магнитное поле никак не повлияло бы на лазерный луч. Однако если предположить, что аксионы существуют и слегка взаимодействуют с фотонами, то становится возможным процесс, в котором лазерный фотон в магнитном поле превращается в аксион (эффект Примакова). Конечно, вероятность этого процесса для одного фотона очень мала, но если их в лазерном луче было очень много, то можно надеяться на некий «аксионный поток», который возникает в лазерном луче в области с магнитным полем.



Идея экспериментов по поиску аксионов методом «свечения сквозь стену»: лазерный луч идет через область с магнитным полем, и изредка фотоны (γ) превращаются аксионы (a). Затем лазерный луч упирается в стенку, но аксионы спокойно проходят ее насквозь. Во второй секции с магнитным полем аксионы уже могут превратиться обратно в фотоны, которые и регистрируются детектором. Изображение из статьи R. Essig et al. Dark Sectors and New, Light, Weakly-Coupled Particles

Далее на пути лазерного луча встает непрозрачная стена. Все фотоны при этом поглощаются, но аксионы летят дальше, не замечая стенку — просто потому, что они с обычным веществом не взаимодействуют. Непосредственно за стенкой вновь имеется область с сильным магнитным полем, и вот в этой области какой-то из аксионов имеет шанс снова превратиться в фотон — причем фотон ровно той же частоты.

Таким образом, схема эксперимента выглядит так: в магнитном поле воздвигаем полностью непрозначную стенку и светим в нее мощным лазерным лучом. За стеной стоит детектор фотонов и пытается уловить хоть что-то. Если экранировка от исходного лазерного света хорошая и если адекватно учтены прочие технические тонкости, то даже слабенький, но надежно зарегистрированный сигнал детектора будет свидетельством в пользу существования аксионов. Для поиска темных фотонов эта схема даже слегка упрощается. Превращение в темные фотоны и обратно может происходить спонтанно, без внешней помощи, поэтому нет необходимости помещать всю установку в сильное поле. За всеми подобными экспериментами в научной литературе закрепилось забавное, но справедливое название «Light Shining through Wall», то есть эксперименты по «свечению сквозь стену».

Эксперимент CROWS

Проведенный недавно в ЦЕРНе эксперимент CROWS слегка модифицировал эту стандартную схему, что позволило добиться более высокой чувствительности (рис. 3). Во-первых, вместо лазерного света здесь используется микроволновое излучение. Если темные фотоны легкие, им всё равно, из каких фотонов материализоваться — из оптических или из микроволновых. Зато при той же мощности излучения микроволновых фотонов будет больше, чем оптических, ведь энергия каждого отдельного микроволнового фотона в тысячи раз меньше.



Общая схема эксперимента CROWS. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. D

Конечно, с микроволнами надо быть еще осторожнее, чем с оптическим излучением. Осторожнее в том смысле, что из-за большей длины волны микроволны легче огибают препятствия, глубже проникают в вещество, легче отражаются от металлических предметов. Поэтому простой стенкой на пути микроволнового луча не отделаешься. Вместо этого детектирующую аппаратуру помещают в герметично закрытую камеру, максимально заэкранированную от внешних электромагнитных полей (см. рис. 1). Стоит подчеркнуть, что заэкранироваться необходимо не только от излучения самого резонатора, но и от многочисленных источников волн гигагерцового диапазона, которыми «эфир» наполнен в наше время. По этой причине кроме внутренней экранировки, показанной на рис. 1, вся установка вместе с внешними магнитами, создающими сильное магнитное поле, окружалась еще одним электромагнитным экраном. Наконец, не осталась без внимания даже передача данных от датчика к анализатору и оцифровщику сигнала. Она осуществлялась не по металлическим коаксиальным линиям, а по оптоволокну; таким образом отсекалась последняя возможность для микроволнового излучения «просочиться» в экранируемый объем или как-то иначе повлиять на снимаемые данные.

Такие меры предосторожности были приняты вовсе не ради галочки. Полезно напомнить уже позабывшуюся сейчас историю с сенсационным результатом эксперимента PVLAS, причиной которого, как выяснилось пару лет спустя, стали паразитные электромагнитные поля, «пролезшие» в регистрационную камеру.

Во-вторых, оба ключевых компонента CROWS — излучатель и детектор — находятся внутри микроволновых резонаторов (восьмиугольники на рис. 3). Они представляют собой две медные закрытые цилиндрические камеры размером примерно 10 на 15 см, изготовленные также в ЦЕРНе, которые эффективно отражают микроволны и тем самым удерживают их внутри камеры. Резонатор удобен тем, что он позволяет накачивать волну, накапливать фотоны, не дает им сразу же улететь прочь. Резонатор как бы заставляет фотон совершить побольше попыток превратиться в виспы, а также повышает вероятность превращения виспов обратно в фотоны.

Наконец, в подобных экспериментах всегда есть опасность не увидеть эффект из-за какого-то инструментального дефекта. Для того чтобы избежать этой досадной оплошности, экспериментаторы предусмотрели тестовый сигнал. Прямо в ту же камеру, где установлен датчик, они подвели простенькую антенну и в течение всего сеанса работы с ее помощью излучали очень слабую волну на частоте, чуть отличной от искомой резонансной, — просто чтобы она не забивала искомое излучение.

Результаты CROWS

В рамках эксперимента CROWS было проведено несколько сеансов длительностью по 10–30 часов непрерывной работы. В течение всего этого времени с чувствительного датчика электромагнитных полей внутри заэкранированной зоны снимались показания. Конечно, у всякого детектора есть неустранимые внутренние шумы, так что можно сказать, что физики в течение нескольких часов в буквальном смысле записывали шумы детектора. Однако такая длинная последовательность показаний позволила с очень высокой точностью провести спектральный анализ этих шумов и выделить именно ту резонансную частоту, на которой работал излучатель снаружи камеры.

Типичный график спектральной плотности показаний датчика изображен на рис. 4. Слева показан общий вид спектральной плотности в окрестности резонансной частоты, в середине — узкая область частот в непосредственной близости от частоты тестового сигнала, справа — узкая область вблизи резонансной частоты. Тестовый сигнал, несмотря на свою слабость, виден исправно, что указывает на надежную работу всей системы регистрации и анализа, а вот на резонансной частоте не видно ничего. Это и означает, что, несмотря на все усилия, никаких виспов в этом эксперименте не зарегистрировано.



Спектральная плотность мощности по показаниям датчика, записанным за десятичасовой сеанс работы. Слева: общий вид спектральной плотности в области плюс-минус 1 кГц от центральной частоты 1739990400 Гц; положения частоты тестового сигнала и резонансной частоты помечены как ftest и fsys. Этот спектр также показан в узкой области ±0,7 мГц около частоты тестового сигнала (в центре) и около резонансной частоты (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. D

В этих сухих числах и скучных графиках скрывается несколько впечатляющих технических достижений. Во-первых, обратите внимание на масштабы частот. Резонансная частота волны составляла примерно 1,7 ГГц (точное число указано на графиках), а спектральная плотность была промерена с шагом 30 микрогерц (!), то есть в десятки триллионов раз меньше, чем несущая частота. Даже на таком мелком шаге дискретизации спектр не «смазывается»: шум по-прежнему остается чистым шумом, а тестовый сигнал — узким пиком шириной в одну точку.

Во-вторых, обратите внимание на масштаб вертикальной шкалы (он указан слева). Типичные значения спектра мощности составляют –220 дБм. Эта стандартная для радиотехники единица измерения показывает, насколько зарегистрированная мощность слабее опорного уровня в 1 милливатт; –220 дБм означает «на 22 порядка меньше, чем 1 мВт», то есть речь идет о спектральной мощности порядка 10^–25 Вт. При этом мощность микроволнового излучения, которая закачивалась в резонатор, составляла в описываемых экспериментах примерно 40 Вт. Таким образом, эксприменты показали, что даже если микроволновое излучение просачивается в закрытую камеру за счет какого-то механизма, эффективность этого просачивания не превышает величину 10^–26.

Дальше эта величина пересчитывается в ограничение на величину связи между фотонами и виспами и наносится на график. На рис. 5 показан этот результат для теорий с темными фотонами. Разнообразные серые области отвечают прошлым экспериментам, а результат CROWS показан голубым цветом. Наибольшая чувствительность была достигнута при массе гипотетического темного фотона около 11 мкэВ, что примерно соответствует энергии одного микроволнового фотона. Здесь CROWS почти на порядок улучшил результат прошлых экспериментов.



Закрытые в разных экспериментах области двух параметров гипотетических темных фотонов: их массы, выраженной в электронвольтах, и параметра смешивания χ, который характеризует связь между ними и обычными фотонами. Область, закрытая новых экспериментом CROWS, показана голубым цветом. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. D

Для аксионов ограничение, полученное CROWS, оказалось не столь значительным; там он по-прежнему уступает некоторым другим экспериментам, в частности церновскому же эксперименту CAST. Однако среди всех чисто лабораторных установок CROWS стал рекордсменом по чувствительности.

Авторы отмечают, что этому эксперименту еще есть куда расти. Можно еще больше удлинить сеансы записи данных, можно уменьшить частоту излучения (повысив концентрацию фотонов), увеличить длину резонатора (повысив вероятность превращения фотона в висп) и, наконец, поднять значение магнитного поля (пока что в эксперименте использовался сверхпроводящий магнит на 3 тесла, который являлся частью обычной МРТ-установки и был взят напрокат в Женевском университете). Всё это позволит сделать этот эксперимент еще более чувствительным к гипотетическим виспам, в особенности к аксионам.

Источник