Загадка темной материи: на шаг ближе к разгадке с новым детектором
Около 80% массы Вселенной, как полагают ученые, состоит из темной материи. Однако о составе и структуре частиц, из которых она состоит, известно крайне мало, что ставит перед физиками фундаментальные вопросы. Для изучения этой неуловимой материи исследователи пытаются зафиксировать фотоны (частицы света), которые рождаются при столкновении частиц темной материи с знакомой нам видимой материей.
Большинство экспериментов до сих пор были сосредоточены на частицах с массами, более или менее сопоставимыми с массами известных элементарных частиц. Однако если частицы окажутся легче электрона, маловероятно, что их удастся обнаружить с помощью текущего стандарта — детекторов на основе жидкого ксенона. До сих пор ни одному эксперименту не удалось напрямую зарегистрировать темную материю. Но и это само по себе является важным открытием, так как сужает диапазон масс и силы взаимодействий, в которых могут существовать эти частицы.
Новый детектор, чувствительный к событиям с низкой энергией
Международной группе исследователей под руководством Лауры Бодис, Титуса Нойперта, Бьёрна Пеннинга и Андреаса Шиллинга из физического факультета Цюрихского университета (UZH) удалось провести поиск частиц темной материи в широком диапазоне масс ниже одного мегаэлектронвольта (МэВ). Используя усовершенствованный сверхпроводящий нанопроволочный однофотонный детектор (SNSPD), исследователи достигли рекордного порога чувствительности — около одной десятой массы электрона. Существование частиц темной материи выше этого порога считается крайне маловероятным.
Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Это первый случай, когда мы смогли искать частицы темной материи в столь низком диапазоне масс, что стало возможным благодаря новой детекторной технологии», — говорит первый автор статьи Лаура Бодис.
В своем эксперименте 2022 года, доказавшем состоятельность концепции, исследователи протестировали первый детектор SNSPD, обладающий высокой чувствительностью к низкоэнергетическим фотонам. Когда фотон попадает в нанопроволоку, он слегка нагревает ее, вызывая мгновенную потерю сверхпроводимости. Проволока на короткое время становится обычным проводником, и resulting скачок электрического сопротивления можно измерить.
Обнаружение мельчайших частиц темной материи
Для своего последнего эксперимента ученые из UZH оптимизировали детектор SNSPD specifically для поиска темной материи. В частности, они заменили нанопроволоки сверхпроводящими микропроводами, чтобы максимизировать площадь поперечного сечения детектора. Кроме того, они придали ему тонкую плоскую геометрию, что делает устройство высокочувствительным к изменениям направления. Ученые предполагают, что Земля движется сквозь «ветер» частиц темной материи, и их направление относительно детектора меняется в течение года в зависимости от относительной скорости. Устройство, способное улавливать эти изменения, может помочь отсеять события, не связанные с темной материей.
«Дальнейшее технологическое совершенствование SNSPD может позволить нам регистрировать сигналы от частиц темной материи с еще меньшими массами. Мы также планируем разместить систему под землей, где она будет лучше защищена от других источников радиации», — добавляет Титус Нойперт.
За пределами стандартных моделей
Новые данные бросают вызов существующим теоретическим конструкциям. В массах ниже массы электрона текущие модели, описывающие темную материю, сталкиваются со значительными астрофизическими и космологическими ограничениями. Если темная материя состоит из сверхлегких частиц (таких как аксионы или темные фотоны), их природа должна быть еще более экзотической, чем предполагалось. Это открывает простор для новых теоретических изысканий и, возможно, потребует пересмотра наших представлений о фундаментальных взаимодействиях во Вселенной. Охота продолжается, и каждый отрицательный результат, сужающий поле поиска, приближает нас к разгадке одной из величайших тайн современной науки.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
