Ученые из Китая провели эксперимент по поиску частиц темной материи — аксионов — с помощью сети квантовых датчиков. Отрицательный результат позволил установить наиболее строгие на сегодня ограничения на их взаимодействие с веществом.
Темная материя, которая, согласно современным представлениям, составляет значительную часть массы Вселенной, до сих пор проявляла себя только через гравитацию. Одним из главных кандидатов на ее роль считаются сверхлегкие частицы — аксионы. Теоретики предполагают, что они могут формировать в пространстве протяженные структуры, так называемые «доменные стенки». Когда Земля пересекает такую невидимую стенку, аксионное поле должно вызывать едва уловимые изменения в поведении атомных ядер.
Чтобы поймать этот предполагаемый сигнал, группа физиков из Университета науки и технологий Китая создала уникальную распределенную сеть из пяти сверхчувствительных квантовых датчиков. Четыре установки находились в лаборатории в Хэфэе, а пятая — в 320 километрах от них, в Ханчжоу. Вся сеть была синхронизирована с точностью до наносекунд с помощью GPS. Сердцем каждого датчика служили ядра атомов ксенона, чье состояние с высочайшей точностью контролировалось с помощью атомов рубидия. Такая технология позволила достичь чувствительности, способной зафиксировать отклонение спинов ядер на угол в несколько миллионных долей радиана.
Эксперимент по сбору данных продолжался более шести недель летом 2022 года, в результате чего было накоплено 739 часов наблюдений. Анализ показал, что статистически значимых сигналов, похожих на пересечение Землей аксионной доменной стенки, зафиксировано не было.
Именно это отсутствие сигнала и стало главным результатом работы. Оно позволило физикам установить новые, рекордно строгие ограничения на силу взаимодействия аксионов с протонами и нейтронами (нуклонами) в широком диапазоне масс — от 10 пикоэлектронвольт до 0,2 микроэлектронвольта. Таким образом, исследование не только продемонстрировало возможности передовых квантовых сенсоров для фундаментальной науки, но и указало новое направление для экспериментов в продолжающемся поиске таинственной темной материи.