Темная материя остается одной из величайших загадок современной физики. Составляя около 85% массы материи Вселенной, она остается невидимой для обычных методов наблюдения, не излучая и не поглощая свет. Десятилетиями ученые безуспешно пытаются обнаружить эти неуловимые частицы, полагаясь лишь на косвенные свидетельства их существования.
Сверхчувствительный прибор готовится «ловить» темную материю
Международная команда ученых из Цюрихского университета и Еврейского университета Иерусалима провела прорывной эксперимент QROCODILE, который достиг рекордной чувствительности, которая может «поймать» сверхлегкие частицы темной материи с помощью сверхпроводящих детекторов.
Физики представили QROCODILE — революционный детектор, способный с беспрецедентной точностью исследовать сверхлегкую темную материю. Полученные результаты приближают науку к разгадке одной из ее величайших тайн. AI/ScienceDaily.com
Сверхпроводимость — это квантовое явление, при котором материал при охлаждении ниже критической температуры полностью теряет электрическое сопротивление. Электроны объединяются в куперовские пары и движутся без потерь энергии.
Международная коллаборация исследователей представила многообещающие первые результаты нового эксперимента QROCODILE, который может впервые «поймать» частицы темной материи. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Ловушка для темной материи
Детектор эксперимента QROCODILE.
В основе QROCODILE лежит сверхпроводящий детектор, способный измерять невероятно слабые энергетические отклонения — до 0,11 электрон-вольт, что в миллионы раз меньше энергий, обычно регистрируемых в экспериментах по физике частиц. Эта чувствительность открывает совершенно новый рубеж: проверку существования чрезвычайно легких частиц темной материи с массами в тысячи раз меньше исследованных ранее.
Секрет невероятной чувствительности QROCODILE кроется в использовании сверхпроводящих нанопроволочных детекторов одиночных фотонов (SNSPD). Это совершенно особая технология, которая работает на квантовом уровне.
Принцип работы этих детекторов основан на свойствах сверхпроводимости. SNSPD представляет собой проволоку сверхпроводящего материала с нанометровым сечением, охлажденную ниже критической температуры и выложенную в компактной геометрии
Детектор может охлаждается до температуры всего 0,1 градуса выше абсолютного нуля. Когда частица (даже с минимальной энергией) попадает в такую нанопроволоку, происходит «квантовая драма». Поглощение фотона разрушает большое количество куперовских пар и вызывает переход из сверхпроводящего состояния в нормальное, и это приводит к измеримому сопротивлению в нанопроволоке. Когда участок проволоки переходит в нормальное состояние, на проволоке падает напряжение и регистрируется скачок сопротивления.
Ученые создали детектор, который может чувствовать даже самые слабые квантовые возмущения, что и открывает путь к поиску легчайших частиц темной материи, недоступных для обнаружения традиционными методами.
Но невероятная чувствительность — это высокий уровень фонового шума. Сколько бы ученые не укрывали датчик экранами, как бы глубоко под землю его не опускали — фоновый шум остается. Ученые и собираются опустить датчик под землю, но у них есть и другая идея, которая может помочь различить в этом шуме именно частицы темной материи.
Земля летит сквозь галактическое гало, и частицы темной материи, из которых оно предположительно состоит будут чаще падать на датчик с той стороны, куда летит Земля. А фоновый шум — равномерно падает со всех сторон. Вот это крохотную поправку, которая зависит от направления датчика ученые и хотят уловить.
Первый эксперимент
Эксперимент QROCODILE. Слева: экспериментальная установка. Детектор установлен в держатель образца из бескислородной меди, выровненный по световому пучку квантово-каскадного лазера (ККЛ). Начальная мощность ККЛ значительно снижена фильтром нейтральной плотности (ФНП). Детектор питается от высокоточного и малошумящего источника постоянного тока. Т-образный смещающий резистор разделяет сигналы постоянного тока и РЧ-сигнал от детектора. ВЧ-сигнал затем усиливается малошумящим усилителем (МШУ) для считывания через счетчик импульсов. Вставка: схематическое описание детекторного стека. SEM-изображение представляет SNSPD в форме меандра с масштабной линейкой 18 мкм. Справа: нормализованная скорость счета в зависимости от тока смещения, подаваемого на наш детектор SNSPD при облучении фотонами с длиной волны 5 мкм и 11 мкм.
В ходе научного запуска продолжительностью более 400 часов при температурах близких к абсолютному нулю команда зарегистрировала небольшое количество необъяснимых сигналов. Хотя эти события пока нельзя подтвердить как темную материю — они могут происходить от космических лучей или естественного фонового излучения — они уже позволяют исследователям установить новые ограничения на взаимодействие легких частиц темной материи с электронами и атомными ядрами.
Профессор Йонит Хохберг из Института физики Раха Еврейского университета, один из ведущих ученых проекта, объясняет: «Впервые мы установили новые ограничения на существование особенно легкой темной материи. Это важный первый шаг к более крупным экспериментам, которые в конечном итоге могут достичь долгожданного прямого обнаружения темной материи».
Следующий этап проекта, NILE QROCODILE, еще больше повысит чувствительность детектора. Ученые переместят эксперимент под землю для защиты от космических лучей. С улучшенным экранированием, большими массивами детекторов и еще более низкими энергетическими порогами исследователи стремятся расширить границы понимания «темной» Вселенной.