Физики предложили необычный способ получить возможные частицы темной материи — не обнаружить их в космосе или подземном детекторе, а попытаться создать прямо в ускорителе частиц. Согласно новой теоретической работе, быстрые атомные ядра могут «встряхнуть» квантовый вакуум и превратить его колебания в реальные частицы — гипотетические аксионы.

Исследование ученых Центра имени Гельмгольца в Дрездене опубликовано в Physical Review D. Пока это только теоретическое предложение, однако авторы считают, что проверить его принципиально можно на уже существующих ускорителях.

Пустой вакуум на самом деле не пуст

В классической физике вакуум можно представить как пространство, из которого удалили всю материю. В квантовой физике картина гораздо сложнее: даже в состоянии с минимальной энергией квантовые поля продолжают испытывать колебания.

Исследователи предлагают использовать эти колебания как источник частиц. Идея основана на динамическом эффекте Казимира — явлении, при котором изменение условий для квантовых полей способно приводить к появлению реальных частиц.

Если атомное ядро движется с достаточно большим ускорением, оно может взаимодействовать с квантовым вакуумом таким образом, что энергия его колебаний превращается в частицы.

Здесь появляется еще один необычный квантовый эффект — эффект Унру. Для наблюдателя, который движется с ускорением, обычный вакуум может выглядеть как среда с температурой, заполненная частицами. В рамках предложенного механизма это создает условия, при которых из вакуума могут возникать аксионы.

Почему речь идет именно об аксионах

Аксионы пока не обнаружены экспериментально. Это гипотетические сверхлегкие частицы, которые рассматриваются как один из кандидатов на роль темной материи.

Считается, что темная материя составляет значительную часть материи Вселенной, однако напрямую увидеть ее невозможно: она не излучает свет и, насколько известно, очень слабо взаимодействует с обычным веществом. О ее существовании судят прежде всего по гравитационному воздействию на звезды, галактики и крупномасштабную структуру Вселенной.

Поиск аксионов идет сразу несколькими способами — от экспериментов в глубоких подземных лабораториях до наблюдений в космосе и экспериментов на ускорителях.

Аксионы могут появляться при почти касательных столкновениях

Особый интерес в новой работе представляют столкновения тяжелых ионов. Авторы рассматривают ситуацию, когда два ядра пролетают очень близко друг к другу, но практически не сталкиваются — так называемые касательные столкновения.

В таком процессе сильное ускорение ядер может создать подходящие условия для взаимодействия с квантовым вакуумом. Расчеты показывают, что в результате могут рождаться пары аксионов, причем частицы в паре должны находиться в квантово-запутанном состоянии.

Это важно не только с теоретической точки зрения: если механизм работает именно так, то для его проверки в принципе не требуется строить совершенно новый тип установки. Авторы предполагают, что подход можно исследовать с помощью существующих ускорителей тяжелых ионов.

Темную материю пока никто не «создал»

До реального эксперимента, однако, еще далеко. Работа описывает теоретический механизм, а не зарегистрированное рождение аксионов. Самих этих частиц физики пока также не наблюдали.

Поэтому говорить о создании темной материи в лаборатории пока преждевременно. Исследователи предложили способ проверить одну из гипотез о природе темной материи — используя не какое-то неизвестное вещество, а фундаментальные свойства самого квантового вакуума.

Если такие эксперименты когда-нибудь подтвердят предсказания модели и обнаружат аксионы, это одновременно станет свидетельством в пользу одного из кандидатов на роль темной материи. Пока же «создание темной материи из пустоты» остается эффектной, но строго теоретической возможностью.