В поисках аксиона

В поисках аксиона

Описан материал, моделирующий свойства частиц темной материи

Группа ученых из ИТМО описала метаматериал, который может стать платформой для тестирования свойств аксионов — кандидатов на роль частицы темной материи. Работа выполнена в соавторстве с нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вильчеком.

Темная материя — одна из главных загадок современной физики. Даже ее строение пока неизвестно. Одна из гипотез заключается в том, что темная материя состоит из аксионов — гипотетических частиц, предсказанных нобелевскими лауреатами Вильчеком и Вайнбергом в 1970-е годы. Эти частицы слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут превращаться в фотоны в сильном магнитном поле.

Пока одни ученые ищут следы аксионов в космосе или в масштабных экспериментах на Земле, другие изучают их на моделях — например, в метаматериалах. Эти искусственно созданные вещества имеют уникальные механические или электромагнитные свойства. Их характеристики определяются не только химическим составом, но еще и структурой.

В некоторых метаматериалах коллективные возбуждения света и вещества — квазичастицы — описываются теми же уравнениями, что и аксионы. Поэтому ученые решили создать на основе искусственных материалов платформу и тестировать на ней эффекты аксионной физики.

Подобные системы уже есть в физике твердого тела, однако аксионный отклик в них слабый. Ученые из фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» ИТМО совместно с Фрэнком Вильчеком предложили создать метаматериал в фотонике — в нем аксионные эффекты проявляются в разы сильнее.

Новое вещество собирается как конструктор из слоев с известными магнитными и оптическими характеристиками. Квазичастицы в метаматериале проявляют те же свойства, что и гипотетические аксионы. Чтобы доказать это, ученые провели несколько численных экспериментов.

Важное преимущество нового метаматериала — возможность управлять эффективным аксионным откликом. Это происходит благодаря тому, что вещество собирают по частям. В природных материалах, которые изучает физика твердого тела, такой возможности пока нет. Это не дает усилить в них слабый аксионный отклик.

«Мы придумали, как можно корректно посчитать аксионный отклик метаматериала. Ранее в фотонике это не удавалось сделать никому»,— говорит Леон Шапошников, магистрант ИТМО и первый автор статьи.

Исследователи ИТМО предложили научному сообществу новые инструменты и идеи для изучения аксионов. Возможно, они пригодятся и при поисках частиц темной материи. А пока коллектив ученых планирует проанализировать другие экзотические отклики в метаматериалах.

«Искусственные среды открывают богатые возможности протестировать известные эффекты фундаментальной физики — например, дираковские фермионы, античастицы, а теперь и аксионы — с помощью довольно простых систем. Возможно, наше понимание таких систем может подтолкнуть и к новым фундаментальным результатам»,— считает Максим Горлач, соавтор статьи и руководитель фронтирной лаборатории.

У оптимизма ученых есть основания: параллельно они принимают участие в международном консорциуме по поиску космических аксионов.

Работа поддержана Российским научным фондом и программой развития ИТМО «Приоритет 2030».

Максим Горлач, руководитель фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» ИТМО, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Зачем ученые создают искусственные среды для экспериментов?

— Хоть в таблице Менделеева только 118 элементов, их можно скомбинировать между собой огромным количеством способов, а значит, создать множество разных материалов. Некоторые из них можно встретить в природе, а некоторые — нет. Но если свойства вторых нам интересны и по-другому их получить сложно, такие материалы создают искусственно.

— Расскажите подробнее о новом метаматериале. Как он устроен? Зачем собирать его по частям? Какими функциями он обладает?

— Структура, рассмотренная в нашей работе, состоит из слоев магнитооптического материала. Каждый отдельный слой обладает известными физическими свойствами, сравнительно легко реализуемыми. Но если объединить эти слои, то мы получим необычный эффект: мы показали, что метаматериал в целом подчиняется уравнениям аксионной электродинамики. Именно такими уравнениями описывают законы электромагнетизма, если в природе существуют гипотетические частицы — аксионы. Пока, несмотря на интенсивные поиски, следов этих гипотетических частиц ученые не обнаружили. Значит, предложенный нами метаматериал позволяет смоделировать физику аксионов (наподобие того, как модель самолета в аэротрубе позволяет судить о поведении настоящего самолета). А во-вторых, этот метаматериал может пригодиться и при поиске гипотетических аксионов.

— Как ученые будут исследовать аксионные эффекты? Какие технологии будут для этого использованы?

— Обнаружить и измерить аксионный отклик материала не так уж сложно. В простейшем случае для этого надо направить свет на материал и определить поворот плоскости поляризации отраженного света. Свет — это электромагнитная волна, а плоскость, в которой колеблется вектор электрического поля, называется плоскостью поляризации. При отражении от большинства структур (например, от зеркала) плоскость поляризации не поворачивается. Но при наличии аксионного отклика происходит поворот. Также аксионный отклик может проявляться и в других ситуациях.

— Как можно управлять аксионным откликом и зачем это делать?

— Материалы описываются целым рядом характеристик: проводимостью, диэлектрической проницаемостью, магнитной проницаемостью и другими. При этом цифры имеют значение. Например, в зависимости от величины проводимости различают проводники, полупроводники и диэлектрики; они могут демонстрировать кардинально разные физические эффекты.

Похожая ситуация и с аксионным откликом. Крайне слабый отклик от космических аксионов ученым пока пронаблюдать не удалось. Некоторые природные материалы демонстрируют измеримый аксионный отклик, но он тоже очень слабый. В предложенном нами метаматериале аксионный отклик может быть в десять раз больше, чем в известных природных материалах, и это открывает новые возможности. При этом небольшие модификации структуры метаматериала позволяют гибко настраивать величину и знак аксионного отклика.

— Как и где потом будут использованы результаты этих экспериментов?

— В нашей работе мы предложили вариант такого метаматериала, но экспериментально его еще только предстоит реализовать. Возможно, предложенный нами метаматериал окажется полезным при поисках гипотетических аксионов. В будущем могут найтись и другие применения, ближе к практике. К примеру, похожий тип электромагнитных свойств используется в технологии e-Ink в электронных книгах.

Подготовлено при поддержке ИТМО
Использованы материалы статьи.