Я беру лазер и свечу им на толстую непрозрачную стену. Фотодиод с другой стороны вдруг начинает принимать фотоны. “Чтооооааа?! Что за колдунство?!“ - спросите вы. "Наука!" - отвечу вам я. “Но зачем?” - спросите вы. “Потому что можем!” - скажу я.
Звучит фантастично, но именно такой эксперимент (light-through-the-wall) под названием ALPS делают в Гамбурге. Цель его - поймать частицы темной материи. В этом посте я расскажу, как именно это работает
Дисклеймер: я сам прямого отношения к этому эксперименту не имею, но его делают в соседнем с нашим институтом здании, так что я не раз был в их лабораториях и более или менее в курсе всякой внутренней кухни. При этом про сам эксперимент почти нет материалов, так что я решил сделать свой.
1. Темная материя - короткий ликбез
Начну с очень краткого введения в то, что такое темная материя и как ее пытаются обнаружить. Если вы все знаете - смело мотайте в следующую часть.
Темная материя - это затычка для дырки в наших теориях и наблюдениях. Мы наблюдаем разнообразные эффекты в космосе, которые в общем все обладают схожими свойствами. Но мы понятия не имеем, откуда они берутся - у нас нет конкретной теории. То, что мы наблюдаем, ведет себя как вещество, которое обладает массой, но не взаимодейтствует с электромагнитным излучением (и само не излучает). Наблюдаем мы его по гравитационному воздействию на окружающие звезды. Но напрямую пока не видим. Поэтому - "темная материя".
А что именно мы наблюдаем?
Есть три основных класса наблюдений, которые позволяют нам говорить о темной материи.
1. Кривая вращения галактик
Обычно мы представляем плотность галактики как “шляпу” с максимальной плотностью в центре и уменьшающейся плотностью по краям. Ожидалось, что скорость вращения (линейная) будет выглядеть как на картинке выше: сперва расти в областях с большой плотностью, а потом снижаться по мере отдаления от центра (в областях с низкой плотностью, где гравитация уже не так сильно связывает с центром галактики).
Однако, наблюдения показывают кардинально другую картинку (как на графике выше). Так бы выглядели скорости, если бы вокруг наблюдаемых звезд было бы большое гало из темной материи. Ее должно быть в примерно 5 раз больше, чем обычной материи, чтобы корректно отразить наблюдения.
2. Галактические кластеры
Мы наблюдаем за кластерами галактик и тем, как они формируются. Смотрим на видимый свет, рентгеновский и на гравитационное линзирование (искривление света под действием гравитации). Видимый и рентгеновский свет дают представление о распределении обычной материи. А вот гравитационное линзирование включает в себя и эффекты темной материи. На картинке выше - кластер “Пуля”: синим показано распределение массы (обычной и темной материи), а красным - рентгеновское излучение. Очевидна разница. Не будь темной материи, мы бы видели одинаковое распределение в красном и синем цвете.
В целом, по гравитационному линзированию можно строить целые карты галактик и галактических скоплений, и все они показывают однозначно, что не всю массу во Вселенной мы можем наблюдать напрямую.
3. Реликтовое излучение
Реликтовое излучение - микроволновое излучение, которое заполняет всю Вселенную. Оно возникло в первые мгновения жизни Вселенной (370.000 лет после Большого Взрыва), когда элементарные частицы соединились в первые атомы водорода. В среднем этот фон одинаковый в любой точке небосклона. Но есть небольшие отклонения, некоторая структура. Темная материя не взаимодействует с реликтовым излучением напрямую, только через гравитацию, в отличие от обычной материи. Поэтому они оставляют разный след в реликтовом излучении. Из наблюдений за ним довольно однозначно получается, что без темной материи не обойтись.
Есть и другие наблюдения. Но главный мой посыл тут: очень разные физические явления на разных масштабах указывают нам на то, что мы не видим большой части вещества во Вселенной. Даже если какое-то одно наблюдение не верно, шанс, что мы ошибаемся в таком количестве разных данных, практически равен нулю.
Так что дальше встает вопрос - что же такое эта темная материя? Мы знаем, что она обладает массой. Она не взаимодействует с электромагнитным излучением (или взаимодействует очень-очень слабо).
Отсюда берутся два основных кандидата: вимпы (WIMP, weakly interacting massive particle) и аксионы. Вимпы достаточно массивны, но при этом не взаимодействуют с обычным веществом, кроме гравитации и слабого взаимодействия (отсюда название). Они являются прямым предсказанием суперсимметричных теорий, расширяющих стандартную модель. Поэтому ожидалось, что на Большом Адронном Коллайдере их поймают. Но не поймали. И не только в БАКе, но и в других экспериментах. По сути, большой провал суперсимметрии как концепции (и вместе с ней теории струн). Сейчас большая часть возможных параметров для них уже исследована, так что шансы на их существование тают с каждым днем.
Вторая модель - аксионы. Это очень легкие частицы, которые тем не менее могут взаимодействовать с обычной материей и электромагнитным излучением, пусть и очень-очень слабо. Любопытно, что изначально они были придуманы в 70х, чтобы решить совсем другую проблему в физике частиц - сохранение CP инвариантности (некоторая симметрия в динамике частиц почему-то сохраняется, хотя по идее могла бы и нарушаться). И вот с открытием темной материи оказалось, что они хорошо подходят на роль темной материи, пусть и не в их изначальном варианте, а с некоторыми модификациями.
Замечу, что и вимпы, и аксионы - это большие “зонтичные термины” над кучей разных возможных вариантов частиц. По сути, они обладают некоторыми заданными свойствами, в то время как другие (например, их масса), могут лежать в широком диапазоне значений. Поэтому обычно эксперименты не только ищут собственно частицы, но и исключают регионы из этих диапазонов. Типа такого ниже, где регионы отмечают, как разные экспериментальные и теоретические результаты ограничивают параметры. В данном случае это возможные значения массы и силы взаимодействия вимпов, исключенные разными экспериментами: остался неисследованным только левый нижний угол (разбираться в графичке не обязательно, это просто для демонстрации).
2. Light through the wall
Итак, мы выяснили, что темная материя существует, но мы не знаем, что это за зверь такой. Два кандидата считаются наиболее перспективными: вимпы и аксионы. Разница в них в том, что вимпы довольно тяжелые: 10—1000 ГэВ, но при этом взаимодействуют только через слабое взаимодействие. А аксионы очень легкие: 10-5 эВ, но в принципе могут взаимодействовать с веществом. Вимпы считались главным кандидатом, но множество экспериментов не обнаружило их (включая БАК), так что они несколько вышли из моды. Так что на первый план выходят аксионы, которые искать сложнее, но по крайней мере они могут взаимодействовать со светом. Именно эту особенность и используют в эксперименте, о котором пойдет речь дальше.
Аксионы могут распадаться на фотоны в сильных магнитных полях - это эффект Примакова. Наверное, вы уже догадываетесь, какой эксперимент мы будем ставить. Идея такая: берем луч света, пропускаем его через мощное магнитное поле. При этом должны формироваться аксионы. Ставим на пути света толстую стену - так, чтобы никакие фотоны не пролетели насквозь. А аксионы почти не взаимодействуют со стеной, так что пролетают без проблем. После стены мы ставим еще один мощный магнит, чтобы преобразовать аксионы обратно в фотоны. Эти фотоны и детектируем на фотодетекторе.
Вообще сам по себе эффект Примакова работает для любых легких частиц с определенными свойствами, не только аксионов. Поэтому эксперимент называется Any Light Particle Search (или Axion-like particle search)- ALPS II. Первый такой эксперимент закончился 10 лет назад, а второй только сейчас строят. Идея в том, чтобы найти хоть какую-то частицу, а там уже смотреть, подходит ли она на роль темной материи.
Вообще эффект Примакова лежит в основе большей части экспериментов по поиску аксионов. Сильные магнитные поля (а они нужны очень сильные) могут возникать в астрофизических процессах. Например, в звездах. Тогда фотоны в звезде могут преобразовываться в аксионы. И от Солнца должен дуть аксионный ветер. Мы можем направить на Солнце гелиоскоп - большой телескоп с сильным магнитом и попробовать наблюдать фотоны от превращенных в магнитном поле аксионов.
В общем, то же, что в ALPS, только аксионы делаем не мы сами, а солнышко за нас старается.
В других звездах с сильными магнитными полями (например, в нейтронных звездах) тоже ожидается сильный эффект Примакова, так что ученые ищут всякие сигналы, связанные с преобразованием фотонов в аксионы (и обратно).
Скорее всего вы впервые слышите про такие эксперименты. Так что, как можете догадаться, они не увенчались успехом до сих пор. Но ученые не сдаются и делают новые более чувствительные детекторы. Например, вот на картинке здоровенный язь гелиоскоп IAXO, который планируют построить в ближайшие годы.
Но давайте вернемся к нашему эксперименту и рассмотрим подробнее, в чем же там сложность. Казалось бы - бери себе лазер да пуляй в стену, только магнит помощнее взять.
3. ALPS II
Проблема, конечно, в слабости эффекта. Его надо как-то усилить. Вероятность детектирования аксионов (соотношение сигнал-шум) выражается примерно такой зависимостью:
P ~ (Магнитное поле)*(Длина взаимодействия)*(Мощность лазера в магнитном поле)1/4*(Вероятность детектирования фотона)1/4*(Время/Шум детектора)1/8
Понятно, что нужно увеличивать время наблюдения и уменьшать шумы детектора. А что еще можно сделать?
Длина взаимодействия с магнитным полем: тут все просто, чем длиннее, тем лучше. Но длина ограничена размерами установки: это же надо все засунуть в вакуум, стабилизировать, экранировать от внешних воздействий…ALPS II построен в старых туннелях ускорителя HERA. Длина установки там - 200 метров (по 100 метров с каждой стороны от стены).
Магнитное поле. Самое простое, конечно, - взять магниты помощнее. Ну как простое…Они должны быть мощные и большие. Самые мощные магниты, сделанные людьми - хитрые сверхпроводящие, их мощность - 40 Tл, но в размере на пару метров. И это целая лаборатория. В МРТ машинах стоят магниты в 1-3 Тл, это маловато. Поэтому в ALPS поступили хитрее: они взяли старые сверхпроводящие магниты от ускорителя частиц HERA, выпрямили их (изначально они согнуты, т.к. ускоритель - кольцо) и поставили в установку. 10 магнитов мощностью в 5.3 Tл с каждой стороны - и вот все 200 метров взаимодействия с магнитным полем обеспечены.
Мощность света Тут идея простая: вероятность распада фиксирована магнитным полем и длиной взаимодействия, так что чем больше фотонов в магнитном поле, тем больше аксионов на выходе. Лазер сам по себе сложно сделать очень мощным, зато свет можно усилить внутри резонатора. Если использовать два очень высокоотражающих зеркала и убедиться, что частота света совпадает с резонансной частотой оптического резонатора, можно получить большое усиление.
В данном случае, до 150кВт. Это очень много для непрерывного лазерного излучения. Для того, чтобы система выдержала такие мощности, всю систему помещают в высокий вакуум. И берут самые лучшие зеркала - чтобы никакой свет не рассеивался и не повреждал покрытия зеркал.
По этой же причине сложно сделать бóльшую мощность: нужны минимальные потери в каждом элементе, а это сложно. Кроме того, даже минимальное поглощение в покрытиях приводит к тепловому искривлению формы зеркал и потере резонанса. Большей мощности получается достичь только в детекторах гравитационных волн, типа LIGO и Virgo (о которых я уже много писал), но там гораздо сложнее сама система.
Эффективность детектирования оказывается самой сложной частью для улучшения. Так как поток аксионов будет очень слаб, после обратного распада на фотоны мы ожидаем одиночные фотоны, а не лазерный луч. Соответственно, их нужно детектировать с помощью однофотонных детекторов (ака лавинных фотодиодов). Такие детекторы обычно обладают очень малой эффективностью - около 15% в лучшем случае (т.е., только 15 из 100 фотонов будут пойманы). Есть исключение - охлажденные до криогенных температур детекторы. Там эффективность может превышать 95%. Но есть проблема: они требуют сверхнизких температур - милликельвинов. Значит, эти детекторы нужно засовывать в криостат.
Но на этом сложности не заканчиваются. Даже с высокой эффективностью детектирования фотоны будут прилетать все равно слишком редко. Придется ждать десятилетия, чтобы получить нужную статистику.
На помощь снова приходят резонаторы. Но чтобы разобраться, как это работает, придется немного погрузиться в квантовую теорию поля. На самом деле, каждый фотон - это не частица, а волна. Это возмущение квантового поля фотонов. Корпускулярно-волновой дуализм - это все концепции из начала прошлого века. Частиц не бывает, вообще. Иногда нам удобнее говорить о волнах как о частицах, т.к. эти возмущения - волновые пакеты - оказываются достаточно ограничены во времени или пространстве. Условно говоря, каждая частица - это такой импульс квантового поля. Если кто-то вас спросит, является ли нейтрон частицей, смело говорите - нет, это волна!
Так вот, фотон - это не просто абы какое возмущение поля, а оно соответствует определенной моде: т.е. обладает некоторой неопределенностью по частоте и времени, а также определенным пространственным распределением.
Эта мода задает вид волновой функции фотона. Волновая функция определяет вероятность наблюдения фотона в определенном месте пространства (а так же времени и частоте). Например, на картинке выше наибольшая вероятность будет в самом центре, где цвет самый красный. Мода - это по сути дела проявление законов сохранения, она задает энергию и импульс фотона.
Почему я об этом говорю? Потому что когда фотон распадается на аксион, из-за законов сохранения аксион оказывается в той же моде. И когда он проходит через стену и преобразуется в фотон, фотон остается в той же моде! Фотоны с одинаковыми параметрами неразличимы (спасибо принципу Паули). Так что можно сказать, что мы "телепортировали" фотон через стену с помощью аксиона! Вот такие квантовые фокусы.
Оптический резонатор задает моду однозначно: длина резонатора задает резонансную частоту резонатора и определяет центральную частоту фотона, форма зеркал и настройка резонатора - пространственную форму. То есть, когда мы ставим резонатор в магнитное поле, только фотоны в резонансной моде будут конвертироваться. Резонатор позволяет увеличить вероятность конвертации за счет того, что фотон проходит через магнитное поле множество раз.
И тут мы вытаскиваем из рукава наш последний козырь: второй резонатор после стенки. Процесс преобразования фотона в аксион симметричен. Если резонатор усиливает прямой процесс, то усиливается и обратный: преобразованный фотон будет в правильной моде, нам нужно только резонансно усилить вероятность этого преобразования. Ура! Два резонатора позволят повысить вероятность детектирования на много порядков. Ура ведь?..
Not so fast. Идея хороша, но как нам настроить второй резонатор в резонанс с первым? Ведь его резонансная частота совсем не обязательно будет правильной. Вообще говоря, резонаторы надо активно подстраивать, чтобы их частота не плыла за счет изменения расстояния между зеркалами. Обычно для такой задачи берут свет от того же лазера и синхронизируют резонаторы по отношению к частоте лазера. Привычное дело - вон в том же LIGO аж 6 вложенных резонаторов и еще пяток снаружи, все друг с другом в резонансе. Но тут мы не можем позволить ни единому фотону из лазера пройти через стену. Более того, везде стоят фильтры, чтобы ни в коем случае ни одного фотона снаружи не пришло на детектор. Приходится извращаться ухищряться.
В эксперименте будет использован нелинейный процесс генерации второй гармоники. Это когда в кристалле два фотона с низкой энергией преобразуются в один фотон с удвоенной энергией. Такой процесс повсеместно используется в оптике и довольно просто реализуем. При этом новый фотон более высокой частоты подчиняется закону сохранения энергии и импульса, так что частота его будет ровно в два раза больше частоты источника. Так что мы можем взять немного света из резонатора слева от стены, преобразовать его в свет с удвоенной частотой, послать его в обход стены и синхронизировать второй резонатор с этим светом. Так, что второй резонатор будет одновременно в резонансе для света с удвоенной частотой и для фотонов, которые будут конвертироваться из аксионов.
Вот теперь эксперимент готов! Ну то есть как, на самом деле есть еще куча мелочей, которые нужно оптимизировать. Нужно убрать лишние шумы, изолировать систему от сейсмических шумов, тепловых шумов, решить проблемы стабилизации и управления, и так далее, и так далее. В целом, все очень похоже на то, что нужно делать в детекторах гравитационных волн, о чем я писал в своей статье про Einstein Telescope и скоро подробнее расскажу в новой статье (stay tuned!).
Так что, поймали аксионы-то?! -- Увы, пока нет. Эксперимент только строится: не все магниты еще даже на месте. По плану запуск планируется на осень этого года, но будет видно. Ожидается, что поток фотонов будет на уровне 1 в день. Или не будет...
Но хоть поймаем?! -- Никто не знает. ALPSII будет очень чувствителен, но большая часть параметров уже проверена. На графике ниже зеленая линия показывает регион, где можно ожидать аксионы из общей теории. Кривая ALPSII находится чуть ниже зеленой линиии. Выше этой кривой - область, которую ALPS будет наблюдать. Часть этого региона уже исключена другим экспериментом CAST. Я выделил фиолетовыми кружками регионы, где ALPSII сможет сказать что-то новое. Сможет ли он поймать аксионы? Возможно - красная область показывает возможные параметры, которые мы можем ожидать из наблюдения за эволюцией звезд. Но это не точно (мы знаем очень мало). Будет ли это темная материя? Большие желтые, оранжевые и синие регионы показывают регионы, где мы ожидаем увидеть аксионы, если они являются темной материей. Это не точно, только возможные сценарии. Но мы видим, что ALPSII очень далек от наблюдения этих регионов. Мы также видим, что телескоп IAXO, о котором я уже говорил, будет гораздо более чувствительным.
Так что же, это все бесполезно?! Темную материю не поймать, следующие эксперименты будут на порядки лучше, нафига это все вообще? -- Because we can, конечно:) Ну и еще: потому что мы знаем пока очень мало. Возможно, все эти предсказания вообще - ерунда, и завтра выйдет статья, опровергающая их. Следующие эксперименты пока только в планах, а проверить этот регион, пусть и небольшой, можно уже в ближайшие пару лет. А вдруг именно там сидят аксионы? А если вдруг поймают - этот эксперимент, в отличие от того же IAXO, может напрямую измерить коэффициент взаимодействия между фотоном и аксионом (из симметрии эксперимента). А еще он не зависит от наших моделей звезд.
Ну и каждый такой эксперимент - это шаг вперед в технологиях, которые мы используем, и в наших навыках. В каждом проваленном эксперименте делается с десяток полезных технологических прорывов. Которые будут использованы в следующем эксперименте, и во всех следующих, пока не придет еще более хитроумная идея. Так развивается наука, небольшими шагами, усилиями десятков и сотен людей. Так мы познаем Вселенную: тратим десятилетия, чтобы проверить малюсенький регион на графике.
Литература
PS Я веду англоязычный твиттер про свою жизнь в науке и разное около-академическое, буду рад вас там видеть: @hbar_universe
Комментарии (79)
baldr
18.08.2022 18:45+2А что если светить фотонами через магнитное поле и просто смотреть сколько дойдет до стены? То есть, считать сколько их распалось (в аксионы). Тогда не надо собирать их обратно с другой стороны.
Shkaff Автор
18.08.2022 18:56+18Для того, чтобы такой вариант сработал, нам нужно точно знать, сколько фотонов у нас было в начале. Т.е. по сути мы ограничены источником одиночных фотонов. В эксперименте ALPS мы начинаем с 10^19 фотонов из лазера, а потом резонансно усиливаем это в 10^7 раз. И все равно получим 1 фотон в день. Если посылать просто одиночные фотоны на детектор, мы будем регистрировать один фотон в 10^26 дней:)
baldr
18.08.2022 19:00+3Так а если зафигачить лазером в приемник без магнита, а потом включить магнит - померять разницу в приеме и попытаться объяснить? Так даже лучше - чем больше мощности - тем больше разница.
Shkaff Автор
18.08.2022 19:04+9Тут две проблемы: во-первых, мы не можем зарегистировать разницу в один фотон на мощностях в киловатты (да и в целом на любых значительных мощностях). Во-вторых, мощность лазера не постоянно, она флуктуирует немного (за счет квантовой неопределенности в числе фотонов/энергии). Но эти флуктуации сильно больше, чем энергия одного фотона. Так что увидеть сигнал на фоне этого шума будет нереально.
baldr
18.08.2022 19:33+1А какие эффекты кроме образования аксионов происходят при включении магнитного поля для лазера? Можно ли померять, скажем, разницу в полученной энергии и объяснить ее потерю только аксионами? Или там еще что-то фоном улетает?
То есть, светить неделю в какой-нибудь калориметр (для примера), а потом светить еще неделю, но с магнитом.
Просто, как я это понял - у нас на порядки больше фотонов для распада, чем вероятность того что хоть один аксион обратно превратится.
Я не физик и понимаю что эти вопросы уже наверняка обсуждали люди поумнее меня, просто интересно ваше объяснение.
Shkaff Автор
18.08.2022 20:30+3Можно ли померять, скажем, разницу в полученной энергии и объяснить ее потерю только аксионами?
По идее - можно было бы. Но по факту зарегистрировать такую разницу невозможно. Условно, за эту неделю у вас будет разница в средней энергии в 7 фотонов за счет конверсии (даже если предположить частоту распада в 1 в день). Но стандартное отклонение этого среднего будет в триллион фотонов. Поэтому различить эти 7 фотонов на фоне такого шума просто невозможно.
dmitryvolochaev
18.08.2022 19:02+4Объясните, как резонатор усиливает преобразование аксиона в фотон? Из фотона в аксион понятно - резонатор маленький, а путь фотона в магнитном поле длинный. А в другую сторону как? Аксион-то не резонирует. Пролетит один раз, и всё
Shkaff Автор
18.08.2022 20:08+1Тут идея та же: каждый фотон будет оставаться в резонаторе и интерферировать со всеми последующими фотонами. За счет этого резонансного усиления внутри резонатора и выходной поток будет усилен.
Cerberuser
18.08.2022 20:57То есть, после того, как поймается хотя бы один фотон - превращение следующих аксионов будет протекать легче, такая идея?
Shkaff Автор
18.08.2022 21:11+3Нет, превращение само по себе не зависит от наличия фотонов в резонаторе. Но каждый последующий фотон может интерферировать с теми, которые уже находятся там.
Хитрость в том, что в каждый момент времени мы не можем сказать, сколько там фотонов внутри (из-за квантовости). Это как кот Шредингера - он и жив, и мертв (фотон и есть, и нет). И вот это состояние и интерферирует и усиливается резонансом. Поэтому речь идет об усилении вероятности преобразования (точнее, вероятности детектирования).
sukhe
18.08.2022 22:11+4Вот так прочитаешь, и офигеешь: резонансное усиление вероятностей.
Поневоле возникает вопрос: может-ли интерферировать кот Шрёдингера?
DrSmile
19.08.2022 00:33+7По идее неправильно объяснять такое через интерференцию нескольких фотонов. Это единственный фотон из аксиона интерферирует сам с собой и усиливает процесс своей генерации. Исходный фотон в первом резонаторе делокализован в пространстве-времени, генерирует такой же делокализованный аксион, а вторичный фотон генерируемый разными участками волновой функции аксиона конструктивно интерферирует сам с собой, эффективно повышая вероятность своего возникновения.
Tyusha
19.08.2022 08:56Вы хотите сказать, что фотон в первом резонаторе запутан с фотоном во втором? Ну и заодно они запутаны с аксионом, который толи есть, толи нет, пока всю эту компанию не распутает фотодетектор.
DrSmile
19.08.2022 14:27+1Я тут подумал, что вся ситуация аналогична электрону в стандартной модели: из-за наличия фонового поля Хиггса, электрон часть времени существует в виде левого, а часть — правого электрона. Так и тут: из-за наличия фонового магнитного поля, фотон часть времени существует в виде аксиона. А весь процесс — это туннелирование фотона через стенку за счет своей аксионной части. Т. е. тут даже не запутанные частицы, тут можно считать, что это все одна частица, меняющая свою форму.
Tyusha
19.08.2022 16:13Ну нет. Тут всё-таки аксион реальный, а не виртуальный. Взаимодействие на массовой поверхности, т.к. "туннелирование" происходит через макроскопический объект.
Shkaff Автор
19.08.2022 16:18+1Стена тут играет роль измерителя - пролететь через стену может только в состоянии "аксион".
Shkaff Автор
19.08.2022 16:15+3Мне кажется, тут даже лучше аналогия с нейтринными осцилляциями.
Частица летит через поле и находится в состоянии суперпозиции аксион-фотон. Если при этом сделать так, что фотонная часть волновой функции оказывается в резонансе с резонатором - она усиливается по сравнению с аксионной.
Shkaff Автор
19.08.2022 09:15+4Все верно, спасибо за пояснение! Я это вон пытался чуть выше описать словами попроще.
Tyusha
19.08.2022 09:34+7Да, спасибо, теперь понятно. Действительно удивительный эффект! То, что фотон долго гоняют в первом резонаторе для рождения аксиона понятно даже из классических соображений. Но чтобы понять, что можно гонять фотон туда-сюда во втором резонаторе ещё как бы "до" его рождения (может понятнее сказать: в процессе рождения), тем самым увеличивая вероятность его появления — для этого требуется истинно квантовая интуиция!
Shkaff Автор
19.08.2022 09:43+3Я вот не смог простыми словами это объяснить, поэтому не стал писать вообще в статье:) Потому что мне вроде как и понятно, но вот чтоб эту интуицию передать - это прям сложно.
Dmitry_Dor
18.08.2022 20:12+1… что же такое эта темная материя? Мы знаем, что она обладает массой. Она не взаимодействует с электромагнитным излучением (или взаимодействует очень-очень слабо).
А что по поводу максимонов aka планковских чёрных дыр?
Отсюда берутся два основных кандидата: вимпы (WIMP, weakly interacting massive particle) и аксионы...
/zanudaShkaff Автор
18.08.2022 20:18Я написал там ниже: вимпы и аксионы - это просто наиболее популярные (и разработанные) модели. Есть куча-куча-куча других.
Насчет конкретно планковских черных дыр - там все сложно. По идее, они будут распадаться почти моментально за счет излучения Хокинга.Dmitry_Dor
18.08.2022 20:45+1По идее, они будут распадаться почти моментально за счет излучения Хокинга
Так вроде планковские ЧД должны быть стабильны за счет квантовых эффектов
https://en.wikipedia.org/wiki/Micro_black_hole#Hawking_radiation
PS Впрочем, я не настоящийсварщикфизик
/zanudaShkaff Автор
18.08.2022 20:55+5Никто не знает, т.к. там должна работать квантовая гравитация, которую еще не придумали. Но такие ЧД должны были бы создаваться повсеместно в звездах, но мы до сих пор не видели никаких следов от них.
Tyusha
19.08.2022 10:34+2Слишком уж большая энергия частиц должна быть, чтобы родить квантовую ЧД, в звёздах таких нет, да и сечение процесса (из общих соображений) там должно быть порядка квантовых масштабов т.е. 10^-66 см2.
Как-то Сергей Попов объяснял, почему ЧД не годятся на роль ТМ,... но я забыла.
Shkaff Автор
19.08.2022 11:31Ну тут зависит от теории гравитации, в некоторых вариантах и TэВ хватит. Помнится, когда БАК запускали, была шумиха про то, что они наделают квантовых ЧД. ЦЕРН даже статью про это делали.
Как-то Сергей Попов объяснял, почему ЧД не годятся на роль ТМ,... но я забыла.
Не знаю, Попов конечно классный, но люди, которые работают над этим, тоже не дураки вроде - статейки пишутся регулярно, проверяют разные диапазоны масс. Если б там было однозначно все, никто б не занимался этим, думается. Но я не эксперт совсем:)
qbertych
18.08.2022 20:55+1Огонь!
Немного не понял про детекторы: SNSPD прекрасно работают при жидком гелии, дальше охлаждать не нужно. Но как отделить сигнал от шума детекторов?
Shkaff Автор
18.08.2022 21:03+1Спасибо!:)
Да, в целом SNSPDs будут работать, но они используют TES (transition edge sensor) со SQUID для усиления - там и высокая эффективность, и низкий шум. Там нужны как раз мК.
Насчет шума: в этом и сложность детектирования. Там темновой поток фотонв получается 10^-4/s. Как раз позволит видеть 1 фотон в день.
Они хотят одновременно использовать и TES и гетеродин. Говорят, так будет лучше:)
qbertych
18.08.2022 22:51Ах да, у простого SNSPD шум порядка фотона в секунду.
Насчет гетеродина не очень понял, это как?
Shkaff Автор
18.08.2022 23:01+4Хотят засунуть свет в правый резонатор и дать конвертированным фотонам модулировать его, а потом его со вторым лучом на сдвинутой частоте проинтерферировать, получив биения на частоте сдвига. Демодулировать результат и оттуда вытаскивать сигнал. Еще и сжатие туда засунуть можно.
Если интересно, тут есть полная статья про это дело.
Но там черт голову сломит, что где куда светит.
onets
18.08.2022 21:35+2Забавные эксперименты. Помнится было что-то про время распада протона, вроде 10^32 степени лет (википедия говорит минимальный порог 2,9*10^29). Даже эксперимент начали. Только пока результаты отрицательные. Так и ежику понятно. Ведь вселенная существует только 1,5*10^10 лет. Надо еще чуть-чуть подождать.
GospodinKolhoznik
18.08.2022 22:41+8А тепловая гибель вселенной состоится по сегодняшним оценкам примерно через 10^100 лет, так что подождать надо действительно недолго, а потом долго-долго жить в ужасном мире без протонов!
Tyusha
19.08.2022 11:17+4Вот прекрасное и пугающее видео: https://youtu.be/uD4izuDMUQA. Очень рекомендую, кто не видел. Если вы думаете, что распадом протонов всё закончится,... то это происходит в конце первой трети фильма.
CrashLogger
19.08.2022 10:28Если взять 10^32 протонов - то один из них точно распадется за год) Так что нам нужно больше протонов !
uvic
18.08.2022 22:40+4Может кто объяснит. Если темная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением - то она гораздо легче чем обычная материя должна собираться в сгустки.
На неё нет светового давления. Её не растягивают магнитные поля и т.п.
Почему не пытаются искать её в виде массивных "черных звезд" или черных дыр?
Ведь скорее всего она вся уже сконцентрировалась...
Или предполагается, что у неё есть какое-то фундаментальное свойство препятствующее этому?Shkaff Автор
18.08.2022 22:47+2Почему должна легче собираться в сгустки? По идее световое давление не сильно препятствует в обычной материи. Магнитные поля задают структуру, да. Но я бы как раз ожидал наоборот, что в темной материи меньше структуры, это почти сферическое гало вокруг галактики.
Другое дело, что идея про черные дыры - вполне себе возможная, такой вариант тоже рассматривается. Только там первичные черные дыры, которые сформировались в начале времен, сами по себе являются темной материей, нет никакой дополнительной частицы. Но там уже значительную часть возможных масс этих ЧД проверили и пока не обнаружили следов. Данных, правда, пока недостаточно, так что вполне может быть!
DrSmile
19.08.2022 00:43+9Чтобы собираться в сгустки, надо, наоборот, куда-то сливать энергию. В случае чистого гравитационного взаимодействия облако идеального газа сжимается, выкидывая ускоренные частицы в бесконечность. Но этот процесс медленный и, вроде, всегда заканчивается набором изолированных одиночек и пар частиц. Вот в случае электромагнитного взаимодействия частицы могут сбрасывать энергию излучением, поэтому сжимаются гораздо активнее.
Tyusha
19.08.2022 11:40И случае ЧД и случае всего остального, стремящегося скомковаться, от галактик до протопланетных дисков, главная проблема — куда слить момент, энергия-то не самая большая проблема.
DrSmile
19.08.2022 14:17+4В случае темной материи как раз основная разница в энергии: не можем сбрасывать энергию — имеем эллиптическое гало; можем сбрасывать энергию, но не момент — имеем плоский диск; можем сбрасывать все — собираемся в комок.
Daddy_Cool
19.08.2022 01:21+4Я впечатлен, и мне завидно - что у некоторых стран есть средства на фундаментальнейшую науку!
smrl
19.08.2022 01:45+5Спасибо. Вот просто образцовая научно-популярная статья.
И по контрасту с вашим языком, максимально юзерфрендли, и гениально внятными диаграммами Фейнмана, - очень бросается в глаза, что когда в деле много экспериментов, названных аббревиатурами, на сводных графиках это все ну такое с первого взгляда. Хотя, казалось бы, эксперименты делают люди неглупые, и могли бы думать на шаг вперед, выбирая названия. Видимо, это растлительное влияние инженерной бюрократии? В НАСА такая же фигня с названиями. А ведь есть же удачный опыт астрономии, когда для спутников планет выбрали схему названий, очень удобных для человеческого внимания и памяти. Почему же высоколобые физики-теоретики не выдумали удачную схему названий экспериментов, особенно в областях, где результаты будут плотно сопоставляться?Shkaff Автор
19.08.2022 09:34+2Спасибо за добрые слова!
Насчет названий - я думаю, тут дело в другом. Все эти эксперименты очень про разное: они используют разные подходы и разные команды ученых работают над ними. Каждый хочет отличаться от другого, быть узнаваемым. Поэтому каждая команда придумывает какое-нибудь хитрое название. В каком-то смысле они соперничают друг с другом, поэтому выделяющееся название - часть маркетинга. Иногда доходит до абсурда, да.
Fen1kz
19.08.2022 07:33+2Поясните, что такое эффект Примакова? Откуда он взялся? Это чисто теоретический эффект, который и проверит ALPS II или же уже что-то доказанное?
Shkaff Автор
19.08.2022 09:23+6Эффект Примакова - превращение фотона в массивную частицу (мезон с нулевым спином) в электрическом или магнитном поле. Этот эффект вполне наблюдается в экспериментах (например, эксперимент COMPASS в ЦЕРНе). По идее, он должен приводить и к рождению гипотетических аксионов, о которых шла речь в статье. Но вот это как раз не доказано, и это пытается поймать ALPS II.
Fen1kz
19.08.2022 12:22+2А, типа фотоны уже превращаются в мезоны, но мезоны бьются об стенку? А вот (предположительно) аксионы пролетают дальше и превращаются обратно в фотоны?
Shkaff Автор
19.08.2022 12:44+2Аксионы - тоже мезоны. Скорее просто энергии света (и магнитного поля) не хватит, чтобы сделать какие-то другие более тяжелые частицы из стандартной модели. Поэтому эксперимент называется еще any light particle search. Они могут поймать любые частицы, которые очень легкие. Но мы не знаем, что это могут быть за частицы кроме аксионов.
Dolios
19.08.2022 12:09Частиц не бывает, вообще. Иногда нам удобнее говорить о волнах как о частицах, т.к. эти возмущения — волновые пакеты — оказываются достаточно ограничены во времени или пространстве. Условно говоря, каждая частица — это такой импульс квантового поля. Если кто-то вас спросит, является ли нейтрон частицей, смело говорите — нет, это волна!
Волн тоже не бывает вообще, бывают некоторые физические явления, которые нам удобно моделировать волновыми или дельта функциями в разных ситуациях ;)
Shkaff Автор
19.08.2022 12:13Ну вот тут как раз как посмотреть. Если считать, что волновая функция является физической реальностью (как считается в рамках многомировой интерпретации квантовой механики, например), то волны как раз очень даже бывают.
GospodinKolhoznik
19.08.2022 17:11+1А возмущения волновых пакетов называются частицами. Поэтому если волновая функция существует, то и частица существует.
Shkaff Автор
19.08.2022 17:25Ну если вы называете волновые пакеты частицами - то пожалуйста) Но в обычном нарративе частица это что-то отличное от волны.
GospodinKolhoznik
20.08.2022 00:44Можно и с другого боку зайти - в природе существуют частицы, а волновые функции это следствие недостатка точной информации об их координатах и прочих физических параметрах. Тогда волны существуют так как частицы существуют. В любом случае, с какой стороны не посмотри волновая функция и частица всегда ходят рука об руку, как санитары с Тамарой.
И наверное оба эти рассуждения правильные, так как они по сути изоморфны, ведь они приводят к одному и тому же результату.
Shkaff Автор
20.08.2022 01:36+2Если вы определяете частицы как волновые пакеты, то, конечно, можно. Но это просто тогда другое название волны. А если понимать частицу в классическом смысле, то оно не будет работать.
nekojiru-soup
19.08.2022 14:02+1Очень понятно написано.
И очень заманчиво.
> По плану запуск планируется на осень этого года
Прямо теперь жду статью о результатах
johnfound
19.08.2022 17:26-2А как это одно и то же магнитное поле, впервые преобразует фотоны в аксионы, а потом обратно аксионы в фотоны?
И вообще, этот эффект Примакова доказан экспериментально? И прямой и обратный?Ну, не знаю. Как по мне, все эти темные материи и энергии, это просто темнота в наших знаниях о вселенной. «Эпициклы» 21-вого века.
Ученые часто забывают, что тысячу лет назад жили другие ученые и они тоже знали всю истину о законах природы. А потом оказалось, что все не так работает.
Dmitry_Dor
19.08.2022 17:46+1И вообще, этот эффект Примакова доказан экспериментально?
Чуть выше была ссылка и небольшое обсуждение.
https://habr.com/ru/post/683344/#comment_24645530другие ученые и они тоже знали всю истину о законах природы. А потом оказалось, что все не так работает.
Они предполагали, что знали. И пытались это подтвердить или опровергнуть. Или создать другую теорию, без эпициклов и теплорода.
Эйнштейн предложил общую теорию относительности, обьясняющую явления, необъяснимые другими теориями, и предсказывающую новые, ранее не наблюдавшиеся явления, а Эддингтон смог её подтвердить, увидев явления, предсказанные этой теорией.
Так и сейчас — нужно проверить, существует или нет темная материя. А если существует, то что это за сущность. Ну, и или предложить другую «теорию всего», которая сможет объяснить все явления без использования тёмной материи.
Например на habr был пост (статья?) Николая Горькавогос его теорией, которая позволяет объяснить наблюдаемое ускоренной расширение Вселенной без использования “тёмной энергии“ – ещё более таинственной сущности, чем “темная материя“.
Но там у учёных возникают свои вопросы.Daddy_Cool
20.08.2022 02:27По поводу темной энергии - есть работа корейцев, что нет никакого ускорения расширения, а значит темная энергия не нужна. Мне это (как консерватору и ретрограду) нравится.
Shkaff Автор
19.08.2022 19:55+1А как это одно и то же магнитное поле, впервые преобразует фотоны в аксионы, а потом обратно аксионы в фотоны?
Почему бы нет?
Ну, не знаю. Как по мне, все эти темные материи и энергии, это просто темнота в наших знаниях о вселенной. «Эпициклы» 21-вого века.
Я как раз об этом и написал в статье. Темная материя - это просто термин для пробела в нашей теории. Мы наблюдаем эффект, как если бы у нас было вещество, не взаимодействующее со светом. Мы не знаем, что это может быть.
Ученые часто забывают, что тысячу лет назад жили другие ученые и они
тоже знали всю истину о законах природы. А потом оказалось, что все не
так работает.Ученые никогда об этом не забывают ;)
johnfound
19.08.2022 20:29-1Почему бы нет?
Потому что если фотон превратиться в аксион, то сразу то же самое поле превратит его обратно в фотон. Ну или наоборот – аксион превращается в фотон, но то же самое поле обратно превращает его в
фотонаксион (ну или в пару аксионов – не суть).Темная материя — это просто термин для пробела в нашей теории
Даже если и так, то это очень неудачный термин – потому что уже предполагает материю в качестве ответа. Вот и ищут частицы. А почему не ищут несоответствия в ОТО на больших расстояниях? А что если гравитация на больших расстояниях работает по другому. Ну или свет. Или время. Или все это вместе.
Dmitry_Dor
19.08.2022 21:19+1Даже если и так, то это очень неудачный термин – потому что уже предполагает материю в качестве ответа.
Скорее неудачный перевод английского термина “Dark Matter“.
К тому же энергия тоже материя, и поэтому иногда возникает путаница между русскими терминами “Темная материя“ vs “Темная энергия“.
Поэтому некоторые физики и асторономы (например, Попов) предпочитают “Тёмное вещество“А почему не ищут несоответствия в ОТО на больших расстояниях?
Ищут, например MOND aka Модифицированная ньютоновская динамика. Но там свои проблемы (например, “отмена“ закона сохранения импульса и другие искусственные допущения).
Shkaff Автор
20.08.2022 01:33+2Потому что если фотон превратиться в аксион, то сразу то же самое поле превратит его обратно в фотон. Ну или наоборот – аксион превращается в фотон, но то же самое поле обратно превращает его в
фотонаксион (ну или в пару аксионов – не суть).Может превратить обратно в фотон, конечно. Но только вероятность этого невелика. Но это учитывается в эксперименте и просто не приведет ни к чему: этот фотон точно так же останется в резонансе с остальными.
Даже если и так, то это очень неудачный термин – потому что уже предполагает материю в качестве ответа.
Термин не очень удачный, но мы тут уже ничего поделать не можем, так установилось исторически.
А почему не ищут несоответствия в ОТО на больших расстояниях?
Ищут, я об этом писал в статье.
johnfound
20.08.2022 07:51-4Термин не очень удачный, но мы тут уже ничего поделать не можем, так установилось исторически.
Я бы поверил, что это так, но ищут то именно вещество – частицы. Так что или термин вредный и мешает объективности научного поиска. Или вы лукавите и всё-таки все считают что это именно частицы.
Я конечно понимаю, что коррекция ОТО может обернуться большими потрясениями. Намного больше чем открытие новой частицы, при этом предсказанной стандартной моделью.
Но ещё я знаю, что каждая теория является только приближение реальности. А современные физики ведут себя как будто уже вывели на бумаге абсолютную истину. И как будто реальность должна изменяться чтобы соответствовать теории.
Shkaff Автор
20.08.2022 09:24+2Еще раз повторю: ищут и коррекции к ОТО, и частицы (вам выше написали про MOND). Коррекции к ОТО пока не позволяют воспроизвести наблюдения.
Daddy_Cool
20.08.2022 02:35А почему не ищут несоответствия в ОТО...
Потому что парадигма. Ищут, но тайком, правда тайком трудно - нужны дорогие эксперименты, вот и не ищут... ой. Вот вы от кого-то всего лишь минус получили за коммент - а 500 лет назад могли бы и на костер отправиться (очевидно, народ добрее становится). Это я к чему - новые идеи подкрепленные некими неэкстраординарными доказательствами обычно слишком новые. Я вот не верю в темную энергию и темную материю (потому что я ретроград и консерватор) - для меня эти идеи слишком новы. Ну а проведут эксперимент, более-менее докажут, я скажу "ну... кто бы знал... ничего не предвещало".johnfound
20.08.2022 08:03Идея о тёмной материи по сути ультра консервативная и вполне вписывается в парадигму.
«Давайте не будем шатать хорошую теорию, лучше придумаем невидимую и неуловимую материю и этим все объясним.»
Так что вы уж определитесь – консерватор или наоборот прогрессист. :D
Daddy_Cool
20.08.2022 14:42-1А можно я на броневик? )))
На самом деле да - странно.
Идее темной материи уже больше ста лет, так что она вполне может считаться консервативной. Но если идея мне не нравится? Может я тогда э... ретроконсерватор?
Вообще это любопытная тема про принятие идей, причем чем дальше, тем хуже - скажем что вокруг чего вращается - воспринять просто, а что тепло передается не теплородом - уже сложнее. Кстати темная материя - костыль сродни теплороду, флогистону, эфиру.
Наверное можно найти еще какие-то введенные сущности, которые бы объясняли явления при помощи своих особенных свойств.Dmitry_Dor
20.08.2022 16:11темная материя — костыль
… который тем не менее объясняет многие сущности.
Ну, допустим скорость вращения звёзд в галактике можно объяснять с помощью Модифицированной ньютоновской динамики MOND (правда для этого придётся «отменить» закон сохранения импульса, но это детали), но чем объяснить несовпадения центра видимой массы некоторых галактик с центром масс исходя из гравитационного линзирования? И то и другое наблюдаемый факт — см 2 часть статьи.
В общем, убрав одну сущность придётся вводить какие-то новые…темная материя — костыль сродни..., эфиру.
А вот тут кстати интересно!
Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи
Пересказывать статью не буду, приведу оттуда одну картинку, график наблюдений, и короткий комментарий:
Эксперимент регистрирует некоторую сущность, связанную с галактикой, относительно которой скорость движения земли меняется в течении года.
Возможно, эксперимент фиксирует нечто земного происхождения, и для проверки этого сейчас готовится аналогичный эксперимент в южном полушарии. Если же и он покажет такой же результат (без сдвига на полгода между графиками), то остаётся или темная материя (в данном эксперименте фиксируется WIMP), или эфир ;-)Daddy_Cool
21.08.2022 12:20Спасибо! Очень интересно! Надо почитать - конечно остается воспрос, возможны ли другие троактовки эксперимента. "Теоретику не верит никто, кроме самого теоретика, экспериментатору верят все - кроме самого экспериментатора".
Как пример - рецензировал статью - авторы заявили, что у них погрешность эксперимента 4%, я пересчитал - оказалось... чуть больше - 14%, и это тема в которой я специалист. Друг-астрофизик говорит, что у них попасть в порядок (расчет с экспериментом) это уже очень хорошо. Но это всё общие соображения - если ТМ таки найдут (незавиисмо в разных экспериментах) то я скажу: "О! Был неправ! Как интересен мир!", а если таки не найдут, а окажется что все плохо измеряют - я скажу "Ага! Я же говорил!"
Shkaff Автор
21.08.2022 12:53К сожалению, этот конкретный эксперимент - скорее всего ошибка в обработке данных. Точно такие же эксперименты в других частях света с другими командами не показывают сигнала. Более того, недавно было объяснение этой ошибки (другой эксперимент ровно на такой же установке смог воспроизвести сигнал DAMA, делая намеренную ошибку в обработке).
phenik
20.08.2022 18:04+2Кстати темная материя — костыль сродни теплороду, флогистону, эфиру.
Есть разница. Эфир и др. перечисленные сущности нужны были для объяснения наблюдаемых явлений. Эфир как среда в кот. распространяется свет, теплород, как субстанция объясняющая распространение тепла, и тп. Для ТМ этого не нужно, как гравитирующая масса влияющая на движение тел, и др. эффекты, она объясняется ОТО. Нам не нужно с ее помощью что-либо объяснять, по крайней мере, пока. Наоборот, требуется объяснение из чего ТМ состоит, то же самое относится к ТЭ. Эти сущности не объясняются существующими теориями, но и не противоречат им, и в этом проблема. Нужно установить их свойства, с помощью экспериментов или наблюдения, кот. могут быть выражены в терминах существующих фундаментальных теорий, кот. в прямую противоречат им. Поясню на примере эфира. Опыты Майкельсона-Морли не обнаружили эфирного ветра, и это поставило крест на эфире. С другой стороны этот отрицательный результат означал экспериментальное установление постоянства (инвариантности) ск. света. До этого в элм. теории это был теоретический результат, и сам Максвелл предлагал провести эксперименты с проверкой влияния эфира на распространение света. После опытов М-М это постоянство стало экспериментальным фактом, кот. математически можно было записать в терминах классической механики v <= c, где с — ск. света. Вот оно противоречие клас. механике, где таких ограничений нет. Эйнштейн обобщил этот факт на все физические взаимодействия, и положил одной из основ в разработке СТО. А наблюдаемый факт смещения перигелия Меркурия не объясняемый теорий тяготения Ньютона, и точно выраженный на языке класс. физики, послужил одним из мотивов разработки ОТО.
С ТМ и ТЭ таких экспериментов и наблюдений пока нет. Т.е. не установлено противоречий точно выраженных в терминах ОТО или кв. физики. По это причине нельзя однозначно расширять их, так чтобы они были частными случаями новых, более общих теорий. Как в случае с клас. механикой, кот. является предельным случаем СТО при малых скоростях, и гравитационный закон Ньютона, кот. является предельным случаем ОТО при слабых гр. потенциалах. В коментах приводилась ссылка на эксперимент DAMA, если удастся доказать, что обнаруженные эффекты не артефакты измерений и удастся зафиксировать противоречие, то возможно это будет какой-то зацепкой похожей на традиционный сценарий развития фундаментальной физики.
Что касается названия — Темная материя, в коментах были претензии, что оно вводит в заблуждение направляя на поиск не существующих частиц, то это ерунда. В квантовой физике деления на частицы и поля условное, а термин материя является общефизическим понятием. См. сколько раз упоминается слово matter в статье вики о физике, говорят о состояниях материи, и тд. С учетом того, что эта субстанция проявляет себя как гравитирующая масса название вполне подходящее, ни чему не противоречащее. Наоборот, стимулирующее воображение, и настраивающее на поиск ответа) Когда установят, что это такое, дадут и более подходящее название.
vassabi
а стенка не расплавится, если в нее с такой силой светить?
Shkaff Автор
Собственно, бóльшая часть света остается внутри резонатора, а стенка стоит после зеркала. Туда доходит совсем чуть-чуть. На одной из картинок, там где про генерацию гармоники, видно, как оно расположено. Стенка нужна, чтобы гарантировать, что ни один фотон не пройдет насквозь даже случайно.