О возможности регистрации элементарных частиц темной материи

Проанализированы современные возможности для экспериментального обнаружения элементарных частиц темной материи: аксионов. В соответствии с предсказаниями теории эти частицы имеют очень малую массу покоя, соответствующую диапазону энергий 0,001...1,0 мэВ. Рассмотрены возможности конверсии лазерного излучения видимого диапазона в излучение аксионов в вакууме и в материальных средах, а также обратных процессов в экспериментальных установках по наблюдению эффекта Примакова: "Light shining through wall". Предложено реализовать режим вынужденной фотон-аксионной конверсии за счет применения в качестве накачки импульсных лазерных источников с высокой спектральной интенсивностью излучения. Для повышения эффективности фотон-аксионной конверсии также предложено использовать диэлектрические среды, характеризующиеся присутствием в их спектре унитарных поляритонов, для которых показатель преломления близок к единице. При этом могут быть выполнены условия синхронизма в элементарном процессе конверсии аксиона в фотон. Приведены схемы возможных экспериментов для наблюдения процессов конверсии аксионов в микроволновые фотоны при низких температурах в присутствии сильного магнитного поля.

Литература

[1] Рябов В.А., Царев В.А., Цховребов А.М. Поиски частиц темной материи // УФН. 2008. T. 178. № 11. С. 1129-1164.

[2] Appelquist T., Cheng H.-C., Dobrescu B.A. Bounds on universal extra dimensions // Phys. Rev. D. 2001. Vol. 62. P. 035002.

[3] Servant G., Tait T.M. Is the lightest Kaluza-klein particle a viable dark matter candidate? //Nucl. Phys. 2003. Vol. 650. Р. 391-419.

[4] Goldstone J., Salam A., Weinberg S. Broken symmetries//Phys. Rev. 1962. Vol. 127. Р 965-970.

[5] Inclusive Search for Standard Model Higgs Boson Production in the WW Decay Channel Using the CDF II Detector / J.E. Kim, G. Garosi et al. // Reviews of Modern Physics. 2010. Vol. 82. Р 557-601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.061803 [Электронный ресурс] URL: http://physics.aps.org/featured-article-pdf/10.1103/PhysRevLett.104.061803 (дата обращения: 17.02.2014).

[6] Hoffmann S. Paraphotons and axions: Similarities in stellar emission and detection // Phys. Lett. B. 1986. Vol. 193. Р 117-122.

[7] Picciotto C., Pospelov M. Unstable Relics as a Source of Galactic Positrons // Phys. Lett. B. Vol. 605. 2005. Р 15-25.

[8] Okun L.B. Limits Of Electrodynamics: Paraphotons? // Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1982. Vol. 83. Р 892-898.

[9] Jaeckel J., Redondo J., Ringwald A. Hidden Laser Communications through Matter? An Application of meV-scale Hidden Photons // EPL. 2009. Vol. 89. Р. 10010.

[10] Sikivie P, Tanner D.B., Van Bibber K. Resonantly Enhanced Axion-Photon Regeneration // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 98. 172002. [Электронный ресурс] URL: http://www.phys.ufl.edu/tanner/PDFS/Sikivie07prl.pdf DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.172002 (дата обращения: 17.02.2014).

[11] Van Bibber K., Dagdeviren N.R., Koonin S.E., Kerman A.K., Nelson H.N. Proposed experiment to Produce and Detect Light Pseudoscalars // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 59. P. 759-762.

[12] Duffy L.D., Sikivie P., Tanner D.B., Asztalos S.J., Hagmann C., Kinion D., Rosenberg L.J., Van Bibber K., Yu D.B., Bradley R.F. High resolution search for dark-matter axions // Phys. Rev. D. 2006. Vol. 74. P. 012006. [Электронный ресурс] URL: http://www.phys.ufl.edu/tanner/PDFS/Duffy06prd-hires.pdf DOI: 10.1103/PhysRevD.74.012006 (дата обращения: 17.02.2014).

[13] Rosenberg I.J., Van Bibber K.A. Searches for invisible axions // Phys. Rep. 2000. Vol. 325. No. 1. P. 1-39. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0370-1573(99)00045-9

[14] Stancil D.D. Long Distance Signaling using Axionlike Particles // Phys. Rev. D. 2007. Vol. 76. 111701(R).

[15] Afanasev A., Baker O.K., Beard K.B., Biallas G., Boyce J., Minarni M., Ramdon R., Shinn M., Slocum P. LIPSS Collaboration // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101, 120401.

[16] Resonantly-enhanced axion-photon regeneration / G. Mueller, P. Sikivie, D.B. Tanner, K. van Bibber; ed. by David B. Tanner, K.A. van Bibber // Axions 2010. American Institute of Physics. 2010. P. 150-155. [Электронный ресурс] URL: http://www.phys.ufl.edu/tanner/PDFS/Mueller10aps-reapr.pdf (дата обращения: 17.02.2014).

[17] SQUID-based microwave cavity search for dark-matter axions / S.J. Asztalos, G. Carosi, C. Hagmann, D. Kinion, K. van Bibber, M. Hotz, L.J. Rosenberg, G. Rybka, J. Hoskins, J. Hwang, P. Sikivie, D.B. Tanner, R. Bradley, J. Clarke // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104. P. 041301. DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.041301 [Электронный ресурс] URL: http://www.phys.ufl.edu/tanner/PDFS/Asztalos10prl-SQUID.pdf (дата обращения: 17.02.2014).

[18] Friedland A., Giannotti M., Wise M. Constraining the Axion-Photon Coupling with Massive Stars // Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 110. Р. 061101-1- 061101-5. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.061101 [Электронный ресурс] URL: http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.110.061101 (дата обращения: 17.02.2014).

[19] Search for Solar Axions Produced in p(d,3He)A Reaction with Borexino Detector / G. Bellini, J. Benziger, D. Bick et al. // Phys. Rev. D. 2012. Vol. 85. P. 092003-1-092003-11. DOI: 10.1103/PhysRevD.85.092003 [Электронный ресурс] URL: http://journals.aps.org/prd/pdf/10.1103/PhysRevD.85.092003 (дата обращения: 17.02.2014).

[20] Hudson H.S., Acton L.W., DeLuca E., Hannah I.G., Reardon K., Van Bibber K. X-Ray Searches for Solar Axions // 4th Hinode Science Meeting: Unsolved Problems and Recent Insights. ASP Conference Series. Vol. 455. Р. 25-34.

[21] Gorelik V.S. Linear and nonlinear optical phenomena in nanostructured photonic crystals, filled by dielectrics or metals // European Journal - Applied Physics. 2010. Vol. 49. No. 3. P. 3307(1)-3307(9).

[22] Gorelik V.S., Sushchinskii M.M. Raman scattering of light in crystals // Usp. Fiz. Nauk. 1969. Vol. 98. P. 237.

[23] Gorelik V.S., Izmailov G.N. Stimulated Photon Conversion into Pseudo-Scalar Bosons // Bull. Lebedev Phys Inst. 2011. Vol. 38. No. 6. P. 177-183.

[24] Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 58. No. 20. P. 20592062. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.2059 [Электронный ресурс] URL: http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.58.2059 (дата обращения: 17.02.2014).

[25] John S. Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 58. P. 2486-2489.

[26] Dowling J.P., Bowden C.M. Atomic emission rates in inhomogeneous media with applications to photonic band structures // Phys. Rev. A. 1992. Vol. 46. No. 1. P. 612622.

[27] John S., Quang T. Localization of Superradiance near a Photonic Bandgap // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 74. No. 17. P. 3419-3422.

[28] Optical spectroscopy of opal matrices with CdS embedded in its pores: Quantum confinement and photonic band gap effects / V.N. Astratov, V.N. Bogomolov, A.A. Kaplyanskii, A.V. Prokofiev, L.A. Samoilovich, S.M. Samoilovich, Yu.A. Vlasov // Nuovo Cimento D. 1995. Vol. 17. No. 11-12. P. 1349-1354.

[29] Photonic band gap in the visible range in a three-dimensional solid state lattice / V.N. Bogomolov, S.V. Gaponenko, A.M. Kapitonov, A.V. Prokofiev, A.N. Ponyavina, N.I. Silvanovich, S.M. Samoilovich // Appl. Phys. A. 1996. Vol. 63. No. 6. P. 613-616.

[30] Purcell E.M. Spontaneous emission probabilities at radio frequencies // Phys. Rev. 1946. Vol. 69. P. 681.

[31] Gorelik V.S. Optics of globular photonic crystals // Quantum Electronics. Vol. 37 (5). P. 409-432.

[32] Gorelik V.S. Optics of Globular Photonic Crystals // Laser Physics. 2008. Vol. 18 (12). P. 1479-1500.

[33] Voshchinskii Yu.A., Gorelik V.S. Dispersion Law in Photonic Crystals in Sinusoidal and Quasi-Relativistic Approximations // Inorganic Materials. 2011. Vol. 47. No. 2. P. 148-151.

[34] Josephson B.D. Possible new effects in superconductive tunneling // Phys. Lett. Vol. 1. 1962. P. 251-257.

[35] Ларкин С.Ю. Измерение частоты монохроматического СВЧ-поля на основе нестационарного эффекта Джозефсона. Киев: Наукова думка, 1999. 271 c.

[36] Shapiro S., Janus A.R., Holly S. Effect of microwaves in Josephson current in superconducting tunneling // Rev. Mod. Phys. 1964. Vol. 36. P. 223-225.

[37] Головашкин А.И., Еленский В.Г., Лихарев К.К. Эффект Джозефсона и его применение. М.: Наука, 1983. 222 с.

[38] Hoffman С., Lefloch F., Sanquer M., Pannetier B. Mesoscopic transition in the shot noise of diffusive superconductor - normal-metal superconductor junctions // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70. P. 180503(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.70.t80503 [Электронный ресурс] URL: http://140.120.11.121/vincent/reference/Noise/shot%20noise/reference/PhysRevB_70_180503.pdf (дата обращения: 17.02.2014).

[39] Beck C. Possible Resonance Effect of Axionic Dark Matter in Josephson Junctions // Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 111. 231801 [Электронный ресурс] URL: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i23/e231801 (дата обращения: 17.02.2014).