Как учёные ищут тёмные фотоны с помощью синхротрона? Простое объяснение

Предел менее 0,00001 от силы взаимодействия обычных фотонов — такой результат может дать обычный счётчик Гейгера, висящий за свинцовой стеной на любом синхротроне. Профессор Токийского столичного университета Вэнь Инь предложил использовать штатное оборудование радиационного мониторинга на существующих ускорителях для поиска тёмных фотонов — гипотетических частиц, которые, по одной из теорий, составляют тёмную материю. И никаких миллиардных коллайдеров: всё уже построено.

Физика, которая не прячется за стенами

Экспериментальная физика элементарных частиц давно живёт по правилу «больше, дороже, мощнее». Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере обошлось в миллиарды долларов и потребовало коллаборации из тысяч учёных. Но охота за тёмной материей — это совсем другая история.

Тёмные фотоны — одни из самых многообещающих кандидатов на роль частиц тёмной материи. Они гипотетически «смешиваются» с обычными фотонами, то есть могут превращаться друг в друга. Это превращение чрезвычайно слабое, но если его зарегистрировать, можно понять природу невидимой массы Вселенной. Специализированные эксперименты вроде ALPS (Any Light Particle Search) в Гамбурге отправляют мощный лазер через магнитное поле в стену, а за стеной ловят обычные фотоны, которые могли родиться из тёмных. Такие установки называют Light-Shining-through-Wall (LSW) — свет, проходящий сквозь стену.

Проблема в том, что каждый такой эксперимент требует отдельного здания, уникального оборудования и солидного финансирования. Учёный из Токио предлагает другой путь: не строить новую установку, а присмотреться к тому, что уже работает.

Синхротронные источники как фабрики тёмных фотонов

В любом синхротроне есть ондулятор — устройство, которое заставляет пучок электронов двигаться по синусоиде и излучать мощное рентгеновское излучение. Этот свет проходит через систему зеркал и монохроматоров, а затем попадает на образец в экспериментальном зале. Но часть фотонов в луче — если верить гипотезе — может превращаться в тёмные фотоны. Те, в свою очередь, почти не взаимодействуют с веществом и спокойно проходят через бетонные и свинцовые стены радиационной защиты.

За стеной стоит счётчик Гейгера-Мюллера. Обычно он нужен только для того, чтобы убедиться: уровень радиации безопасен для персонала. Но именно этот прибор способен зафиксировать те редкие тёмные фотоны, которые снова превратятся в обычные за стеной. Так рождается простейшая LSW-установка, работающая без выделенного бюджета и не мешающая другим исследованиям.

Никакого специального детектора. Никакого мощного лазера. Только синхротрон, который всё равно работает, и стандартный счётчик, который всё равно включён.

Цифры, которые дают надежду

Доктор Инь теоретически смоделировал путь тёмных фотонов от источника через оптику, защиту и до детектора. Он оценил, сколько частиц может быть зарегистрировано при разных значениях массы и параметра смешивания. Поскольку на реальных синхротронах показания счётчиков Гейгера давно известны и не превышают безопасного уровня, можно рассчитать верхнюю границу того, как сильно тёмные фотоны могут взаимодействовать с обычными.

При массах тёмного фотона от 1 до 50 электронвольт (это очень лёгкие частицы — в миллионы раз легче электрона) полученный предел оказался меньше 0,00001 от силы электромагнитного взаимодействия. Это существенно строже, чем любые чисто лабораторные LSW-эксперименты в том же диапазоне масс. Результат дополняет предыдущие поиски, которые велись на коллайдерах и с помощью астрофизических наблюдений. Статья вышла в журнале Physical Review Letters.

Иными словами, мы уже могли видеть косвенные следы тёмных фотонов в данных радиационной безопасности, просто не обращали на них внимания.

Экономия вместо гигантомании

Самый ценный аспект предложения — практическая реализуемость. Не нужно строить новые подземные лаборатории, не нужно ждать очереди на пучок в ЦЕРНе. Синхротроны есть по всему миру: от Японии до Франции, от США до России. Многие из них работают круглосуточно, выполняя заказы тысяч исследователей — от биологов до материаловедов. Достаточно установить простой счётчик Гейгера за защитной стеной в зоне, куда падает прямой рентгеновский луч, и вести мониторинг.

Единственная сложность — необходимость точно знать геометрию установки, спектр излучения и характеристики защиты. Но это рутинные инженерные данные, которые уже есть у каждой синхротронной станции. Любая исследовательская группа может повторить расчёты Вэнь Иня для своего конкретного синхротрона и получить независимые ограничения на свойства тёмной материи.

Итак, обычный счётчик Гейгера, висящий на стене, может оказаться порталом в тёмный сектор Вселенной. А что ещё скрывается в данных, которые мы собираем каждый день, не задумываясь об их космологическом значении? Может быть, ответы на главные вопросы лежат не в новых дорогих установках, а в старых, слегка забытых данных — просто нужно уметь их спросить.