В канадской подземной физической лаборатории SNOLAB началось сооружение установки SuperCDMS, предназначенной для поиска массивных частиц темной материи. С помощью нового детектора можно будет искать частицы в недоступном ранее диапазоне от одного до десяти масс протона, а точность SuperCDMS в 50 раз превысит точность предыдущей версии, что делает его одним из самых чувствительных детекторов по поиску темной материи. О начале постройки детектора сообщает пресс-релиз Национальной ускорительной лаборатории SLAC, одного из партнеров проекта.
Темная материя составляет около 20 процентов массы Вселенной, однако все свидетельства в пользу ее существования, такие как кривые вращения галактик, гравитационное линзирование и измерение темпа расширения Вселенной, носят гравитационный характер. В то же время, напрямую подтвердить существование частиц темной материи ученые до сих пор не смогли. Правда, в 2010 году группа CDMS сообщала о регистрации одной частицы темной материи, однако статистическая значимость этого измерения была невысока, и в дальнейшем оно не подтвердилось.
Ученые не теряют надежды и продолжают совершенствовать экспериментальные установки, призванные регистрировать частицы темной материи. В частности, о постройке нового детектора сообщает группа CDMS. Предыдущая версия разработанной ими установки состояла из 30 полупроводниковых кремний-германиевых детекторов размером с хоккейную шайбу, охлажденных до температуры около 0,6 кельвинов, и находилась на глубине чуть менее четырехсот метров в подземной шахте Судан в национальном парке Минессоты, чтобы снизить фоновый сигнал от нейтрино и космических частиц. Когда гипотетические массивные частицы темной материи (вимпы) пролетают через такую шайбу, они могут столкнуться с атомами кристаллической решетки и заставить их колебаться (такие колебания удобно описывать с помощью квазичастиц — фононов); кроме того, они могут ионизировать вещество, то есть выбить из него электроны. Оба этих эффекта легко отследить — сигнал ионизации можно считывать с помощью усилителей на полевых транзисторах, а фононы удобно отлавливать с помощью сверхпроводящих датчиков краевых переходов, основанных на сверхпроводящих квантовых интерферометрах (СКВИДах). Подробнее о таких приборах можно прочитать в нашем интервью с Дмитрием Акимовым, посвященном когерентному упругому рассеянию нейтрино — близкому по характеру и сложности регистрации процессу.
К сожалению, частицы темной материи невероятно редко взаимодействуют с частицами Стандартной модели, и точности предыдущей версии установки не хватило, чтобы достоверно зарегистрировать хотя бы одно событие, отвечающее рассеянию вимпов. На этот раз ученые планируют охладить кремний-германиевые детекторы до еще более низкой температуры около 0,1 кельвина и увеличить их объем более чем в два раза, доведя радиус шайбы до десяти сантиметров. Кроме того, новая установка, получившая название SuperCDMS. сможет вместить 31 ряд, в каждом из которых помещается шесть детекторов, что позволит значительно ускорить поиски (правда, первые несколько лет на ней будет работать только четыре ряда). Наконец, SuperCDMS будет находиться не в шахте Судан, а в подземной лаборатории комплекса SNOLAB, оставшейся после экспериментов по поиску нейтрино и расположенной на глубине более двух километров. Таким образом, установка будет лучше защищена как от тепловых флуктуаций, так и от космического фона, который мешает отделить события, отвечающие рассеянию вимпов, от событий, связанных с другими частицами.
Как ожидают ученые, точность детектора SuperCDMS более чем в пятьдесят раз превысит точность предыдущей версии детектора, что делает его одним из самых чувствительных детекторов по поиску темной материи. Более того, увеличенный размер кремний-германиевых шайб позволяет расширить поиски на диапазон масс от одного до десяти масс протона, который ранее был недоступен для исследований.
В настоящее время частицы темной материи самой различной природы и массы ищет огромное число экспериментов. Различные группы используют для этого галоскопы — охлажденные до низких температур полости, помещенные в сильное магнитное поле, — отслеживают образование мюон-антимюонных пар и признаки невидимых распадов бозона Хиггса на ускорителях, а также предлагают искать частицы темной материи с помощью переходов в ядрах беррилия или квантового испарения жидкого гелия. Другие группы ученых пытаются увидеть, как частицы темной материи проявляют себя в астрофизических процессах — например, разогревании нейтронных звезд или аннигиляции в галактичеких гало. Как бы то ни было, ни один из этих экспериментов так и не нашел никаких частиц темной материи. Это заставляет ученых разрабатывать альтернативные гипотезы, которые могли бы объяснить неудачи — например, вводить эффективное поле, которое отталкивает частицы от Земли и других массивных тел, но позволяет им свободно двигаться в пустом пространстве.
О том, какое значение концепция темной материи играет для современной физики, можно прочитать в нашем интервью с астрофизиком Андреем Дорошкевичем. Также можно пройти тест, посвященный дню темной материи.
Дмитрий Трунин