Американские физики предложили ловить легкие частицы темной материи с помощью переохлажденной воды. Чтобы доказать целесообразность такого подхода, ученые два года измеряли отклик переохлажденной воды на различные источники частиц — в результате исследователи доказали, что детектор хорошо чувствует рассеяние частиц на ядрах водорода и практически не замечает ионизирующее излучение. Ученые предложили назвать гипотетический детектор «снежковой камерой» по аналогии с пузырьковой камерой. Теоретически, такая установка может почувствовать легкие частицы темной материи с сечением взаимодействия порядка 10−40 квадратных сантиметров, что в сто раз превышает предыдущий рекорд. О своей новой разработке физики сообщили на апрельской встрече Американского физического сообщества, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В обычных условиях вода замерзает при нуле градусов по Цельсию, однако ее можно охладить до гораздо более низкой температуры. Дело в том, что сама по себе жидкость замерзнуть не может — чтобы запустить этот процесс, в ней должны быть неоднородности, с которых начнут расти ледяные кристаллы. Следовательно, если тщательно очистить воду от примесей, медленно понижать температуру и беречь ее от внешних воздействий, она будет оставаться жидкой при температурах вплоть до −48 градусов Цельсия. При еще более низких температурах равновесие в жидкости не успевает устанавливаться из-за неустранимых тепловых колебаний. Если же потрясти переохлажденную воду или бросить в нее крупинку соли, она резко начнет кристаллизоваться по всему своему объему. Более того, в результате замерзания переохлажденной воды высвобождается энергия плавления льда — следовательно, чтобы запустить переход, практически не требуется затрачивать энергию. Поэтому такую систему называют метастабильной.
Благодаря низкому энергетическому порогу метастабильные системы можно использовать в качестве детекторов частиц. Собственно, первый в истории человечества детектор, камера Вильсона, работал именно по этому принципу — только вместо переохлажденной воды в нем использовался перенасыщенный пар. Еще один вариант метастабильного детектора — это пузырьковая камера, содержащая перегретую жидкость. Хотя сейчас «туманная» и пузырьковая камера вытеснены более современными детекторами, развитие физики частиц без них было бы невозможно, поэтому обе разработки отмечены Нобелевскими премиями по физике.
Более того, в последнее время ученые снова заговорили о метастабильных камерах в контексте поиска темной материи. Дело в том, что при столкновении частиц темной и обычной материи в веществе выделяется едва заметное количество энергии, которое благодаря низкому энергетическому порогу может запустить фазовый переход метастабильной системы. В то же время, такой детектор автоматически отсеивает ионизирующее излучение, к которому метастабильные системы менее чувствительны. В настоящее время уже существуют детекторы темной материи на основе пузырьковой камеры (COUPP и PICO).
Группа физиков под руководством Мэтью Шидагиса (Matthew Szydagis) предложила идею нового детектора, основанного на кристаллизации переохлажденной жидкости. По словам ученых, они рассмотрели эту идею по двум причинам. Во-первых, молекулы воды содержат легкие молекулы водорода, которые идеально подходят для поиска частиц темной материи массой порядка одного гигаэлектронвольта — на поиски таких частиц исследователи переключились после многолетних неудач с более тяжелыми вимпами. Во-вторых, в настоящее время существуют методики, с помощью которых можно быстро и дешево очистить сравнительно большие объемы воды. В-третьих, в отличие от пузырьковой камеры, кристаллизация воды не приводит к резкому изменению давления, поэтому оставшийся объем жидкости продолжает следить за столкновениями частиц. По аналогии с «туманной» и пузырьковой камерой физики предлагают назвать гипотетический детектор «снежковой камерой» (snowball camera).
Чтобы показать, что «снежковая камера» в принципе подходит для поиска частиц, физики проверили, как переохлажденная вода кристаллизуется под действием различных типов излучения. Для этого ученые приготовили 22 грамма переохлажденной воды при давлении 0,58 атмосфер и температуре −35 градусов Цельсия, налили ее в закрытый сосуд из очищенного кварца и засекли время, после которого жидкость кристаллизуется. Температуру жидкости исследователи оценивали с помощью трех термопар, прикрепленных к внешней поверхности сосуда, поэтому все измерения имели временную задержку и систематическую погрешность ±2 градуса. Чтобы исключить из собранных данных мюонный фон, физики установили под сосудом пластиковый сцинтиллятор и фотоумножитель, которые отслеживали и отсеивали «загрязняющие» события. Наконец, ученые наблюдали за кристаллизацией жидкости с помощью эндоскопической камеры, снимающей в разрешении 480×234 пикселя со скоростью 20 кадров в секунду. Чтобы снизить влияние внешних факторов, ученые усредняли данные наблюдений за 48-часовой период и много раз повторяли эксперименты на протяжении двух лет.
С помощью построенной установки ученые оценили, как переохлажденная вода «откликается» на нейтроны и гамма-лучи. В качестве источника нейтронов ученые использовали калифорний-252 и сплав бериллия и америция, а в качестве источника гамма-квантов — цезий-137. Чтобы увеличить поток нейтронов, ученые помещали установку в свинцовую оболочку. Интенсивность «отклика» исследователи измеряли по времени, прошедшего между падением температуры ниже нуля и кристаллизацией переохлажденной воды (сосуд охлаждался с постоянной скоростью на протяжении всего эксперимента). По словам авторов статьи, эту величину можно интерпретировать как обратную интенсивность столкновений частиц с молекулами жидкости. Все результаты ученые сравнивали с контрольной выборкой, полученной на установке без источников.
В результате исследователи выяснили, что переохлажденная вода отлично чувствует нейтроны и практически не замечает ионизирующие вещество гамма-лучи. Во всех случаях жидкость успевала охладиться до температуры порядка −20 градусов Цельсия, однако в установке с источником нейтронов кристаллизация начиналась примерно на полминуты раньше, чем в установке с источником гамма-лучей или контрольном образце. Более того, сравнивая фотографии камер и данные фотоумножителя, ученые показали, что кристаллизацию в последних двух установках запускали нейтроны, которые рождаются при столкновениях космических мюонов с молекулами воды.
Таким образом, переохлажденная вода хорошо чувствует барионы и автоматически отсеивает фоновые гамма-лучи. Поэтому ученые считают, что детектор, построенный на основе этой технологии, как минимум, будет сравним с существующими детекторами на основе пузырьковой камеры. По оценкам авторов статьи, детектор массой сто килограмм, работающий на протяжении трех месяцев, будет иметь чувствительность порядка 10−7 пикобарн и сможет поймать легкие частицы темной материей с сечением рассеяния порядка 10−40 квадратных сантиметров. Это на два порядка превосходит рекордную чувствительность детектора DarkSide.
В ноябре 2017 года физики из Университета Брауна предложили искать легкие частицы темной материи с помощью квантового испарения жидкого гелия. В каком-то смысле этот подход аналогичен «туманной», «снежковой» и пузырьковой камере, которые основаны на фазовых переходах метастабильного вещества.
В течение последних тридцати лет физики искали частицы темной материи огромным числом независимых способов. Во-первых, поисками занимаются огромные детекторы на благородных газах, которые просматривают сотни килограмм вещества в надежде заметить столкновение вимпов с одним из его атомов. В частности, к таким детекторам относятся установки XENON, CDMS, PandaX и DarkSide. Во-вторых, некоторые ученые предлагают немного видоизменить этот подход, заменив сжиженный газ массивом сверхпроводящих нанопроводов. Оба этих подхода отталкиваются от успеха нейтринных детекторов, имеющих схожую конструкцию. В-третьих, на «темные» частицы может указывать недостаток обычных частиц, которые рождаются в столкновениях высокоэнергетических протонов (например, на Большом адронном коллайдере). В-четвертых, в последнее время физики также разрабатывают детекторы, которые могут «почувствовать» легкие частицы темной материи — например, детекторы ADMX и ABRACADABRA. Наконец, некоторые ученые предлагают искать частицы темной материи по косвенным признакам — по разогреву нейтронных звезд или аннигиляции. Как бы то ни было, ни один из этих способов не дал положительного результата.
Некоторые физики так отчаялись от десятилетий безрезультатного поиска, что попытались объяснить эти неудачи с помощью новых теорий. Например, Хуман Давудиазл из Брукхейвенской национальной лаборатории считает, что темная материя отталкивается от Земли неизвестной силой, радиус действия которой сравним с радиусом земной орбиты. Такая модификация Стандартной модели объясняет, почему детекторы не могут поймать «темные» частицы (им попросту нечего ловить), и практически не меняет физику на больших масштабах. А датские физики-теоретики Тимон Эмкен и Крис Куварис предполагают, что детекторы «ослепляет» земная кора, роль которой ранее была недооценена.
Дмитрий Трунин