Экспериментальная установка в Массачусетском технологическом институте, фотография Свадхи Панди. Наш четырехзеркальный детектор размещен в двух стальных вакуумных камерах, соединенных трубкой. Платформа перед ближайшей вакуумной камерой оснащена оптикой, которая направляет лазерный свет в камеру и из нее. Фото предоставлено: Панди, Холл и Эванс.
Исследователи из Массачусетского технологического института недавно опубликовали первые результаты эксперимента, направленного на поиск темной аксионной материи путем изучения вызванного аксионами двойного лучепреломления электромагнитных волн. Хотя эти результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, не привели к наблюдению сигналов, связанных с этими гипотетическими частицами темной материи, они все же создали новую технику поиска аксионов с использованием перестраиваемого оптического резонатора.
«Эксперимент был предложен в 2019 году в сотрудничестве нашей лаборатории и наших коллег из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института, когда мы рассматривали новые способы поиска гипотетической частицы темной материи, называемой аксионом», — сказал Эван Холл, научный сотрудник лаборатории LIGO. из Массачусетского технологического института, сообщает Phys.org.
«Любое наблюдаемое взаимодействие между аксионами и стандартной материей, вероятно, будет очень слабым. Мы поняли, что проблема обнаружения слабого сигнала очень похожа на проблему обнаружения гравитационных волн — другого типа очень слабого сигнала, который был открыт совсем недавно».
После различных теоретических дискуссий и размышлений Холл и его коллеги поняли, что лазеры и оптические инструменты, используемые в настоящее время в эксперименте LIGO для обнаружения гравитационных волн, могут быть перепрофилированы для поиска аксионов. Это положило начало эксперименту Axion Dark-Matter Birefrelgent Cavity (ADBC), в рамках которого впервые начался сбор данных в 2022 году.
«Мы хотели экспериментально продемонстрировать, как можно выполнить поиск аксионов с помощью этих инструментов», — объяснил Холл. «Свет бывает двух поляризаций – горизонтальной и вертикальной. Ожидается, что аксионы, если они существуют, преобразуют одну поляризацию в другую. В нашей лаборатории мы используем лазер для создания вертикально поляризованного света и ищем признаки того, что аксионы преобразовали часть этого света в горизонтальную поляризацию.
Детектор, на котором основан эксперимент ADBC, состоит из четырех зеркал, образующих оптический резонатор (т.е. структуру, улавливающую свет). Эта оптическая полость хранит и тысячи раз циркулирует световые лучи лазера, которые усиливают слабые аксионные сигналы.
Экспериментальная установка: резонатор-бабочка с зеркалами A, D, B и C. Поле накачки Nd:YAG-лазера с длиной волны 1064 нм, поляризованное ^𝑠, входит в резонатор у зеркала A и соединяется с резонатором с помощью барьера Паунда-Древера-Холла. Резонансными в полости являются ^𝑝-поляризованные боковые полосы, генерируемые аксионоподобной частицей (АЛП) с частотой деления полости 𝜔𝑎=𝜔sp. Гетеродинное считывание осуществляется с помощью накачки и поля сигнала, которые передаются на зеркало С. Фото предоставлено: Physical Review Letters (2024 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.111003.
На первых этапах эксперимента Холл и его коллеги использовали детектор для поиска аксионов с массой около 50 нэВ (около 10–40 граммов). Примечательно, что другая исследовательская группа из Соединенного Королевства недавно искала аксионы с массой около 2 нэВ, используя оборудование, аналогичное оборудованию в Массачусетском технологическом институте.
«Наша работа показала, что этот новый тип полости можно настроить для расширения диапазона возможных аксионных масс, которые можно искать», — сказал Свадха Панди, аспирант четвертого курса. студент Массачусетского технологического института.
«В частности, мы показали, что полость можно регулировать, регулируя углы ее четырех зеркал. Возможность настройки является важным критерием, позволяющим использовать устройство для поиска темной материи. Поскольку никто не знает, какой может быть масса аксиона, нам приходится искать в широком диапазоне возможных масс».
Первые результаты эксперимента ADBC ограничивают взаимодействие аксионоподобных частиц и фотонов. Хотя они еще не открыли аксионы, они могут стимулировать дальнейшие исследовательские усилия, направленные на обнаружение этих гипотетических частиц темной материи с использованием оптических резонаторов, и потенциально способствовать их экспериментальному открытию.
«После того, как этот метод может работать в широком диапазоне масс аксионов, следующим шагом станет проведение более масштабного и чувствительного эксперимента», — добавил Панди.
«В таком эксперименте будет использоваться больше лазерного света, поэтому больше фотонов будет взаимодействовать с аксионами, а эксперимент будет масштабнее, чтобы продлить время, в течение которого фотоны могут взаимодействовать с аксионами. Автоматизация механизма настройки и продуманная конструкция для него». Зеркальные покрытия также необходимы для сканирования во всем доступном диапазоне аксионных масс».
