V Международный фестиваль кино о науке и технологиях

Москва 21–29 октября 2015

Блог

Свет сквозь стену: Сергей Троицкий – о поиске частиц

Герой фильма «В ожидании волн и частиц» рассказывает об аксионах

Показы фильма «В ожидании волн и частиц» в рамках фестиваля 360° пройдут 27 и 28 октября в кинотеатре «Формула кино Горизонт» и Центре документального кино. Мы побеседовали с одним из героев картины, Сергеем Троицким, доктором физико-математических наук, специалистом Института ядерных исследований РАН. Ученый рассказал об аксионах, экспериментах по их поиску, в том числе и знаменитом «свете сквозь стену», о CAST и о том, как аксионы могут быть связаны с темной материей.

Также читайте интервью с режиссером фильма Дмитрием Завильгельским.

Что такое аксион? Какими свойствами он должен обладать?

– Аксион – это гипотетическая частица, изобретенная для решения вполне конкретных физических проблем (о них скажем позже). Она должна, с одной стороны, позволять решать эти проблемы, а с другой – не противоречить результатам никаких физических экспериментов и никаких астрономических наблюдений. Это определяет ее свойства – характер и силу взаимодействия с другими частицами и с излучением. А именно, аксионы должны определенным образом взаимодействовать с ядерной материей и с фотонами, но эти взаимодействия должны быть очень слабыми – иначе бы эту частицу давно уже обнаружили. Взаимодействие с фотонами, из-за которого во внешнем магнитном поле аксион может превращаться в фотон и обратно, характерно для класса частиц, называемых аксионоподобными.

Что такое процесс Примакова? Почему он важен для экспериментов по поиску аксионов?

Вообще говоря, Примаков умер еще до того, как теоретики придумали эту частицу, и процесс, названный его именем, никакого отношения к аксионам сам по себе не имел. Это рождение нейтрального пи-мезона в магнитном поле атомного ядра. Однако свойства аксионов, если таковые существуют, должны быть очень похожи на свойства пи-мезонов, и поэтому точно в таком же процессе в поле ядра можно родить аксион. Этот процесс тоже стали называть процессом Примакова. Иногда – достаточно редко – название обобщают и на процесс рождения аксиона в любом магнитном поле, не только ядра. Так или иначе, взаимодействие фотона с внешним магнитным полем – это способ родить аксион, а аналогичный обратный процесс, в котором из аксиона рождается фотон, – это один из немногих способов экспериментально установить, что аксион побывал в установке (фотон легко зарегистрировать, а сам аксион – нет).

– Каковы основные эксперименты по поиску аксионов и в чем заключается эксперимент «свет сквозь стену»?

«Свет сквозь стену» концептуально простой, но технически сложный эксперимент по поиску аксионов и похожих на них частиц. Во внешнем магнитном поле фотон с очень небольшой вероятностью может превратиться в аксион. Если взять интенсивный источник света (много фотонов) и пропустить луч через сильное магнитное поле, то некоторые из фотонов (очень мало!) могут превратиться в аксионы. Поставим теперь на пути луча стенку. Фотоны через нее не пройдут, а аксионы, практически не взаимодействующие с веществом, полетят дальше, в темное помещение. В сильном магните, установленном за стенкой, маленькая часть аксионов сможет превратиться обратно в фотоны, и эти фотоны можно зарегистрировать сверхчувствительным фотоприемником. Сейчас работает несколько экспериментов такого типа, а наиболее чувствительный планируется создать в Гамбурге в лаборатории DESY, он называется ALPS-II.

– Как устроен CAST?

Наиболее мощный на сегодняшний день «аксионный гелиоскоп» CAST (CERN Axion Solar Telescope) работает по тому же самому принципу, только в качестве потенциального источника аксионов он использует Солнце. Вторая часть установки – стена, второй магнит и фотоприемник – работают таким же образом, как и в классических экспериментах «свет сквозь стену». Аксионы могут проходить через стену и попадать в мощный магнит, установленный на подвижном основании, так что он может следить за Солнцем при его суточном перемещении по небу, два часа утром и два часа вечером. Недавно коллаборация CAST объявила о прекращении поисков аксионов, поскольку достигнута предельная чувствительность инструмента, но эксперимент продолжается – он переориентирован на поиск других гипотетических частиц, «хамелеонов», которые тоже могут рождаться в Солнце и детектироваться подобным методом.

– Какие еще есть эксперименты по поиску аксионов?

Прежде всего надо упомянуть широко обсуждаемый проект аксионного гелиоскопа нового поколения, который должен прийти на смену CAST и иметь чувствительность в десятки раз лучше. Это международный проект IAXO (International AXion Observatory), который предполагается осуществить также в ЦЕРН. Помимо гелиоскопов и экспериментов «свет сквозь стену», существует целый ряд экспериментов, принцип работы которых не связан с превращением аксионов в фотоны и обратно. Можно изучать влияние аксион-фотонного смешивания на поляризацию пучка света (эксперимент PVLAS в Италии и аналогичные), а можно основывать детектирование аксионов на их взаимодействии с атомными ядрами – один из таких экспериментов работает в низкофоновой лаборатории Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (в качестве источника предполагаемых аксионов он тоже использует Солнце). Отдельно стоят эксперименты, ориентированные на поиск аксионов как частиц темной материи, – в этом случае эти частицы должны присутствовать везде, источник не нужен, а техника детектирования их совсем другая (эксперимент ADMX, США).

– Какие проблемы физики элементарных частиц «прояснило» бы доказательство существования аксионов? Как аксионы могут быть связаны с темной материей?

– Основная физическая мотивация для аксионов – это решение так называемой CP-проблемы сильных взаимодействий. Это одна из целого ряда загадок, связанных с объяснением довольно-таки странных значений параметров Стандартной модели физики элементарных частиц. В ней есть две постоянные, отвечающие за нарушение CP-симметрии, – неизменности законов физики при одновременном зеркальном отражении и изменении знаков всех электрических зарядов. Почему-то одна из них, связанная со слабыми взаимодействиями, достаточно большая, а соответствующий параметр в секторе сильных взаимодействий – по крайней мере в миллиард раз меньше. В принципе, такая ситуация никаким законам природы не противоречит, но выглядит странно, и единственное известное удовлетворительное решение как раз и связано с аксионом.

Помимо этого аксионы или похожие на них частицы «помогают» решить много проблем на стыке физики частиц и астрофизики. Например, при определенных параметрах эти частицы могут играть роль темной материи – неизвестного вещества, не излучающего и не поглощающего свет (то есть прозрачного). Мы видим многочисленные эффекты гравитационного притяжения этого вещества, а само вещество не видим. В Стандартной модели нет подходящих частиц, из которых оно могло бы состоять, а аксион – интересный кандидат на роль частицы темной материи. Есть целый ряд указаний на существование похожей частицы и из других астрофизических результатов. Например, для гамма-излучения высоких энергий наша Вселенная должна быть непрозрачна, но такое излучение от очень далеких источников регистрируется – похоже на «свет сквозь стену», правда?…