Физики предложили новый способ детектирования частиц темной материи. Для его реализации необходимо следить за параметрами очень тонких сверхпроводящих проводов, которые в случае взаимодействия с частицей темной энергии могут нагреться достаточно сильно для потери сверхпроводящего состояния. Авторы идеи изготовили прототип, описание проекта изложено в препринте на сервере arXiv.org.
Термином «темная материя» в астрофизике называется несколько несостыковок между наблюдениями и теоретическими оценками. В частности, зависимость скорости движения звезд от расстояния до центров галактик не может быть объяснена с учетом только известных видов вещества и установленных законов физики. Также темной материей пытаются описать свойства гравитационного линзирования на скоплениях галактик, быстрый рост неоднородностей в ранней Вселенной, форму спектра мощности реликтового излучения и некоторые другие явления.
Согласно наиболее распространенному в современной науке взгляду, темная материя — это специфический вид вещества, которое не взаимодействует электромагнитным образом и поэтому не может быть зафиксировано при помощи наблюдений на обычных телескопах. Существуют альтернативные подходы, которые пробуют объяснить те же самые эффекты посредством модификации известных физических законов или введением новых, но они, в отличие от новой формы вещества, не справляются с объяснением всех связываемых с темной материей проблем.
Основным затруднением модели темной материи в виде вещества является неизвестная масса составляющих ее частиц. Диапазон рассматриваемых теоретиками возможностей колоссален: от сверхлегких частиц «размытой» темной материи с массой порядка 10-22 электронвольт до первичных черных дыр с массами в несколько солнечных и более — разброс свыше 60 порядков. Однако наибольшее число работ посвящено разработке модели вимпов — слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle). Эти объекты должны обладать массой порядка массы известных элементарных частиц или в сравнимое количество раз больше, то есть находиться в диапазоне от мегаэлектронвольта до тераэлектронвольта.
Поиску частиц темной материи также посвящено множество работ. Попытками получить подходящие объекты занимаются как на коллайдерах, так и при помощи специальных установок. Однако пока эти поиски не увенчались успехом. В частности, в прошлом году физики отчитались о поисках при помощи детектора XENON1T — искомых событий зафиксировано не было. Отдельные эксперименты, такие как DAMA, улавливают определенный сигнал, но научное сообщество постоянно подвергает сомнению его интерпретацию в качестве надежного свидетельства регистрации частиц темной материи. Также продолжается строительство и планирование еще более крупных и современных детекторов.
Работа сотрудников Еврейского университета в Иерусалиме и Массачусетского технологического института посвящена новому методу обнаружения относительно легких вимпов с массой менее гигаэлектронвольта. Фундаментальный принцип его работы схож с большинством детекторов — заметить прямые соударения частиц темной материи с известными компонентами вещества. Однако, если в большинстве случаев физики пытаются зафиксировать свет, который испускают ядра после получения энергии от вимпа, то в рамках нового подхода предлагается искать повышение температуры, так как соударение приведет к раскачиванию атомов в кристаллической решетке. В качестве своеобразного детектора температуры физики предложили использовать крохотные сверхпроводящие провода: если они будут находиться около критической температуры, то даже небольшой нагрев приведет к выходу из сверхпроводящего состояния части объекта, резкому росту электрического сопротивления и заметному скачку напряжения около одного милливольта продолжительностью от единиц до десятков наносекунд. По подсчетам авторов, такой детектор чувствителен к двум диапазонам масс: от миллиэлектронвольта до электронвольта на основе поглощения частиц, и от килоэлектронвольта до гигаэлектронвольта на основе рассеяния частиц.
Новая идея хороша по нескольким причинам. Во-первых, в ней предлагается объединить рабочее вещество, с которым должны взаимодействовать вимпы, и детектор, который измеряет этот эффект. Во-вторых, такой прибор обладает исключительно низким уровнем шумов, так как работает в квантовом режиме при низких температурах. В-третьих, все компоненты для работы такого устройства можно изготовить уже сегодня, так как технологии однофотонных детекторов на основе сверхпроводящих нанопроводов уже разработаны, хоть и не выпускаются в больших объемах.
Авторы исследования изготовили прототип подобного детектора из проводков силицида вольфрама толщиной 140 нанометров и длиной 400 микрон, функционирующий при температуре несколько милликельвин. В течение эксперимента продолжительностью 10 тысяч секунд установка с массой рабочего тела 4,3 нанограмма никаких скачков напряжения не зафиксировала. Этот результат не только подтверждает работоспособность метода, но и уже устанавливает значимые для науки ограничения. В частности, полученные данные оказались самым строгим полученным в земных лабораториях ограничением на сечение поглощения сверхлегких частиц темной материи с массой менее 1 электронвольта, к которым, например, относится темный фотон. Авторы считают, что подобный детектор с массой около килограмма вполне можно построить в ближайшие несколько лет. Такое устройство сможет конкурировать с крупнейшими современными детекторами по чувствительности.
В связи с отсутствием конкретных результатов прямой регистрации частиц темной материи, в последние годы появляется все больше гипотез, пытающихся объяснить свойства Вселенной иным образом. В частности, одна из моделей предполагает заполнение всего пространства новой субстанцией с отрицательной массой, которая одновременно может объяснить и темную материю, и темную энергию. Другие ученые предложили рассмотреть случай фотона с ненулевой массой — мы подробно обсуждали эту теорию со специалистом по теории поля.