Сверхпроводники помогут в поиске легких частиц темной материи

Частицы темной материи, пронзая детектор насквозь, изредка сталкиваются с ядрами рабочего вещества и передают им часть своей энергии. Детектор регистрирует энерговыделение и тем самым фиксирует событие.

Изображение: Игорь Иванов

Американские физики предложили новую идею эксперимента по поиску легких частиц темной материи, которая сможет расширить доступную проверке область масс на 4-5 порядков. Их статья выложена в архиве препринтов Корнельского университета и находится в свободном доступе, ее краткое содержание можно прочитать на «Элементах».

Астрофизические данные показывают, что во Вселенной, помимо обычного вещества (звезд, планет, газопылевых облаков) имеется много темной материи. Она состоит из частиц нового, неизвестного сорта, которые физики давно пытаются зарегистрировать, но пока безуспешно. Стандартный эксперимент по прямому детектированию частиц темной материи выглядит так. Темная материя заполняет собой нашу галактику, и все объекты в ней, включая Землю, как бы «продираются» сквозь встречный поток частиц темной материи. Из-за мизерной вероятности взаимодействия частиц темной материи с веществом мы этот поток не замечаем. Он «дует» и сквозь установленный под землей детектор, заэкранированный от посторонних воздействий. И лишь очень редко какая-то частица темной материи сталкивается с атомом в глубине большого детектора и передает ему небольшую энергию. Если детектор достаточно чувствителен, он сможет это энерговыделение измерить и тем самым зарегистрировать событие. Задача экспериментатора — обнаружить хоть один достоверный акт такого столкновения, который не спишешь ни на какие иные причины.

Такой метод поиска особенно чувствителен к частицам темной материи с массой, примерно равной массе атомного ядра, то есть около нескольких десятков гигаэлектронвольт. При поиске более легких частиц, с массой меньше массы протона, детектор уже «слепнет». Главная причина здесь — порог чувствительности датчиков. Легкая частица темной материи обладает маленькой кинетической энергией, да еще и передает атому при столкновении лишь мизерную ее часть. Поэтому, несмотря на десятилетия поисков, огромный диапазон на шкале масс частиц темной материи ниже массы легких ядер остается практически непроверенным, хотя теоретически он вполне разрешен.

В появившейся недавно статье предлагается создать детектор нового типа, который будет чувствителен к частицам темной материи легче не только протона, но и даже электрона. Основывается эта методика на явлении сверхпроводимости. В сверхпроводнике свободные электроны объединены в куперовские пары и движутся синхронно. Их свободному движению (то есть электрическому току) не мешают ни препятствия, ни иные воздействия — до тех пор, пока эти воздействия куперовскую пару не разрушают. Удар легкой частицы темной материи непосредственно по электрону (а не по атомному ядру) приведет к выделению энергии меньше одного электронвольта, но этого заведомо хватит, чтоб разрушить куперовские пары. В сверхпроводнике тогда возникнет долгоживущее возбуждение, которое дойдет до края рабочего объема и будет зарегистрировано чувствительным датчиком.

Авторы оценили ожидаемый темп регистрации частиц темной материи разных масс и продемонстрировали, что если этот метод будет реализован, он единым махом расширит доступный исследованиям диапазон на несколько порядков. Конечно, от этой общей схемы и до работающего прототипа лежит длинный путь. Однако авторы статьи надеются, что сам факт принципиальной возможности протестировать легкие частицы темной материи послужит хорошим стимулом для развития технологии.

Игорь Иванов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.