Протестирован первый «космический радиоприемник» для поиска тёмной материи

Физики из разных стран представили необычный двумерный материал, созданный из марганца, висмута и теллура. Этот материал способен реагировать на возможные следы аксионов — гипотетических частиц, которые могут входить в состав тёмной материи. Об этом рассказали в пресс-службе Королевского колледжа Лондона (KCL).

По словам исследователя Дэвида Марша, работающего в KCL, новое вещество может лечь в основу детектора, принцип действия которого напоминает радиоприёмник, улавливающий сигналы из космоса. Устройство будет фиксировать слабые отклики, возникающие при взаимодействии аксионов с веществом, что поможет либо доказать их существование, либо отвергнуть эту теорию.

Разработка опирается на необычные свойства соединения марганца и теллурида висмута. Эти двумерные структуры обладают редкими магнитными и квантовыми особенностями и нарушают симметрию по времени и четности. Благодаря этому в их кристаллической решётке возникают устойчивые квантовые колебания, похожие по характеристикам на аксионы.

Ранее исследователи пытались создать подобные структуры — аксион-квазичастицы — на базе других материалов, но они не давали достаточно чётких сигналов. Новый материал отличается сверхтонкой структурой, которая усиливает отклики и позволяет точно фиксировать их при помощи токов, лазеров и атомно-силового микроскопа.

Экспериментальные данные показали: если аксион действительно проходит через такой материал, в системе возникает короткая, но яркая вспышка света. Это открывает путь к поиску аксионов с массой от 0,01 до 0,1 электронвольта — диапазон, ранее остававшийся вне доступа существующих технологий.

Ученые надеются, что в течение следующих 10–15 лет с помощью этого устройства удастся либо найти аксионы, либо окончательно исключить их как кандидатов в тёмную материю. Уже сейчас существует множество космических наблюдений, которые допускают наличие этих частиц.

Что такое аксионы и при чём тут тёмная материя?

Поскольку эксперименты по обнаружению более тяжёлых частиц тёмной материи пока не дали результатов, всё больше внимания уделяется её возможным «лёгким» вариантам. Одними из наиболее обсуждаемых кандидатов остаются аксионы — теоретические элементарные частицы с мизерной массой, схожей с нейтрино.

Хотя первые попытки их обнаружения не принесли успеха, в 2020 году установка XENON1T зафиксировала необычные сигналы, которые могли бы быть вызваны аксионами. Однако данные, полученные позднее на более чувствительном детекторе XENONnT, поставили это под сомнение. Новый подход может, наконец, прояснить ситуацию.