В КФУ занимаются поиском гипотетических частиц, чтобы темную материю Вселенной сделать «светлой»

Теоретическая  и  практическая  работа по  обнаружению аксионов ведется в рамках прорывного проекта САЕ «Астровызов».

Ученые разных стран мира занимаются  исследованиями, связанными с поиском аксионов – частиц,  давно предсказанных в квантовой теории поля С.Вайнбергом и Ф.Вильчеком, но до сих пор так и не  обнаруженных. Искать аксионы так же трудно, как искать темную кошку в темной комнате. Тем более, что никто доподлинно не знает, что такое темная материя, потенциальными составляющими которой они являются. Про темную материю известно лишь, что, будучи невидимой, она все-таки оказывает гравитационное воздействие на движение наблюдаемых нами космических тел.

В течение многих лет ученые всего мира так же активно искали другую  частицу – бозон Хиггса, теоретически предсказанную еще в 1964 году. Обнаружили ее в 2012-м в результате экспериментов, проведенных на Большом адронном коллайдере.

 

Так что же представляет собой аксион, который сегодня ищут специалисты в области физики элементарных частиц и астрофизики всего  мира, и почему так важно его найти? Об этом мы спросили Владимира Мостепаненко  –  члена президиума Российского гравитационного общества,  главного научного сотрудника астрофизического отдела Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН и главного научного сотрудника лаборатории «Космология» КФУ. В Казанском федеральном университете доктор физико-математических наук, профессор В.Мостепаненко разрабатывает теоретические основы поиска  аксионов в рамках проекта «Космокинетика».

«Исследованием структуры темной материи я занимаюсь последние четыре года.  Есть различные предположения о том, из чего она состоит. Мною разрабатывается  представление о темной материи, как состоящей из гипотетических частиц аксионов, – говорит ученый. – В последние годы выяснилось, что видимые нами объекты во   Вселенной (звезды, галактики, межзвездная материя) – составляют  лишь  около 5% процентов от общей ее энергии, а все остальное –  темную энергию (она составляет примерно 68.5 %) и темную материю (ее примерно 26.6% Вселенной) мы пока увидеть не можем».

Владимир Мостепаненко считает, что существует очень большая вероятность того, что в ближайшее время, не позднее, чем через    5-7 лет, аксионы, которые  были первоначально придуманы «вовсе не для того, чтобы объяснить темную материю», будут обнаружены.  По словам физика, эти частицы  были предсказаны, чтобы решить некоторые фундаментальные проблемы квантовой хромодинамики, поэтому они вошли в стандартную модель физики элементарных частиц.

«Я занимаюсь поиском аксионов из экспериментов по измерению сил Казимира (они возникают между двумя близко расположенными твердыми телами). Выяснилось, что существование аксионов приводит  к некоторым «добавкам» к этим силам. Экспериментальные работы уже более десяти лет ведутся в США – в Калифорнийском университете в Риверсайде и в Университете штата Индиана – Университете Пердью. Я достаточно долго занимался научной работой в этих университетах, и у меня налажены хорошие связи с экспериментаторами, которые снабжают меня необходимыми для моих вычислений данными. Обрабатывая их, я получаю так называемые лабораторные ограничения на массу и на другие параметры этой гипотетической элементарной частицы.  Получая все более строгие ограничения на параметры аксиона, мы постепенно  приближаемся  к моменту его открытия», – сообщил ученый.

Совместно с иностранными коллегами из США В.Мостепаненко опубликовал уже более 60 работ в ведущих международных журналах: Physical Review Letters, Reviews of Modern Physics, Physical Review A, Physical Review B, Physical Review D, European Physical Journal C и других. В частности, в июне этого года вышла статья В.Мостепаненко и ведущего научного сотрудника Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН Г.Климчицкой в журнале Physical Review D, v.95, озаглавленная “Constraints on axion-like particles and non-Newtonian gravity from measuring the difference of Casimir forces” (“Ограничения на аксионоподобные частицы и неньютоновскую гравитацию из измерения разности сил Казимира”),  в которой обнародованы новые ограничения на параметры аксиона.

«Когда аксион будет найден, то у нас появится  возможность создать аксионный телескоп, с помощью которого мы сможем получать новую информацию обо всех астрофизических объектах. Можно сказать, что  откроется  новое «окно» во  Вселенную, она предстанет в ином свете, – уверен Владимир Михайлович. –  Точно так же недавнее открытие гравитационных волн позволило увидеть Вселенную иначе. Когда мы сможем детектировать аксионы, темная материя станет для нас «светлой», в том смысле, что ее можно будет исследовать непосредственно. К примеру, с помощью аксионных телескопов можно будет получить информацию о том, где рождается темная материя, да и вообще мы многое узнаем  о ней, а значит, и о  Вселенной в целом!»

Необходимо  отметить, что в рамках САЕ «Астровызов» в Казанском федеральном университете разрабатываются и другие методы поиска аксионов, а также создается реконфигурируемая  интерферометрическая система комплексных исследований космического излучения, одной из основных задач которой должно стать изучение аксионной природы темной материи. Система будет состоять из нескольких платформ космического и воздушного базирования  с размещенными на них сенсорами  мониторинга ближнего и дальнего космоса.