Чтобы зарегистрировать частицы «легкой» темной материи, можно использовать испарение жидкого гелия при низких температурах. Ученые из университета Брауна предложили схему такой установки и показали, что с ее помощью можно найти вимпы с энергиями порядка одного мегаэлектронвольта. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Несмотря на то, что темная материя гравитационно взаимодействует с привычным для нас веществом, и многие косвенные признаки указывают на ее существование (например, кривые вращения галактик или гравитационное линзирование на скоплениях галактик), напрямую ученые до сих пор ее не обнаружили. Одним из вероятных кандидатов на роль части холодной темной материи являются вимпы (WIMP, weakly interacting massive particles) — гипотетические частицы, которые могут влиять на обычную материю только через слабое или гравитационное взаимодействия.
Обычно считается, что масса вимпов находится в диапазоне от 1010 до 1012 электронвольт. Однако частиц темной материи с такими массами до сих пор найдено не было. Поэтому были разработаны теоретические модели, из которых следует, что масса гипотетических частиц может быть меньше 10 гигаэлектронвольт, и проводятся эксперименты по поиску легких вимпов. Для этого используются электронные возбуждения полупроводников, сцинтилляции прозрачных кристаллов или тепловой отклик мишени, возникающие при взаимодействии частиц мишени и вимпов. Во всех этих методах порог чувствительности составляет около одного электронвольта, что соответствует вимпам с энергиями порядка сотен мегаэлектронвольт. Это требует разработки новых экспериментов, в которых можно засечь следы легкой темной материи.
Авторы статьи предлагают схему эксперимента, аналогичного некоторым способам поиска нейтрино. Суть его заключается в том, что при взаимодействии вимпа или нейтрино с атомами жидкого гелия, находящегося в сверхтекучем состоянии, образуются квазичастицы — фононы и ротоны. Если температура гелия достаточно мала (меньше 0,1 Кельвина), помехами — образованием квазичастиц из-за тепловых флуктуаций можно пренебречь. Эти квазичастицы распространяются в жидкости, причем эффектами рассеяния и распада квазичастиц также можно пренебречь, если их энергия меньше 0,7 миллиэлектронвольт. Наконец, когда квазичастица достигает поверхности жидкости, в результате квантового испарения (quantum evaporation) из нее вырывается атом гелия.
Затем вырванный из жидкости атом гелия ускоряется с помощью сильного электрического поля (несколько вольт на ангстрем), создаваемого острым наконечником туннельного микроскопа, а момент его попадания на наконечник регистрируется как кратковременное увеличение тока в сети, соединяющей катод и анод. Эффективный радиус захвата частицы катодом составляет около пятисот нанометров, поэтому ученые предлагают помещать над поверхностью жидкости большой массив таких наконечников. По оценкам ученых, для эффективного детектирования отдельных атомов расстояние между наконечниками в одном массиве должно составлять до двадцати микрометров, а расстояние между самими массивами — до одного миллиметра.
По словам физиков, с помощью такой экспериментальной установки можно зарегистрировать отдельные вимпы с массой около 0,6 мегаэлектронвольт. Несмотря на то, что они не смогли оценить чувствительность, разрешающую способность по времени и энергии, а также другие важные характеристики предложенной ими схемы, авторы считают, что их идеи могут оказаться очень полезными для регистрации легких вимпов. Также ученые отмечают, что подобные детекторы для частиц темной материи можно построить на основе других сред, в которых длина пробега квазичастиц достаточно велика, чтобы мы могли регистрировать их рождение в больших объемах вещества. Все-таки частицы темной и «обычной» материи взаимодействуют очень редко.
Напоминаем, что в этот вторник, 31 октября, физики впервые отмечали день темной материи. Узнать о том, как и зачем ученые ищут темную материю, можно прочитать в посвященном этому дню интервью с заведующим отделом теоретической астрофизики Астрокосмического центра ФИАН Андреем Дорошкевичем.
Дмитрий Трунин