Физики предложили схему универсального алмазного детектора темной материи

Физики из США и Израиля предложили схему детектора темной материи, в основе которого лежат сверхчистые алмазы. Такой детектор одновременно может отслеживать сразу три типа темных частиц, по-разному взаимодействующих с обычной материей и имеющих разные массы. Более того, из расчетов ученых следует, что чувствительность предложенного детектора превышает чувствительность существующих аналогов во всех трех диапазонах. Статья опубликована в Physical Review D, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Темная материя — одна из самых загадочных субстанций, с которыми работают современные ученые. С одной стороны, астрономы видят множество свидетельств в пользу существования невидимой материи, которая притягивает обычную материю, но не способна излучать фотоны. К числу таких свидетельств относятся кривые вращения галактик, линзированные изображения далеких объектов, специфический спектр колебаний реликтового излучения, видимые нарушения теоремы вириала и другие явления, которые сложно объяснить в рамках теорий без темной материи. Более подробно про «свидетелей темной материи» можно прочитать в материалах «Невидимый цемент Вселенной» и «Темная материя». С другой стороны, ученые до сих пор не знают, из чего состоит темная материя — несмотря на десятки лет поисков и десятки миллионов потраченных долларов, детекторы так и не смогли поймать ни одной гипотетической темной частицы. Точность некоторых детекторов так высока, что они уже вплотную приблизились к нейтринному фону, ниже которого почувствовать гипотетические частицы в принципе невозможно. 

Вероятно, причины этих неудач заключаются в том, что практически все эксперименты по поиску темной материи сосредоточены на вимпах — тяжелых темных частицах, которые появляются в теории наиболее естественным образом. Более легкие частицы от таких детекторов ускользают. Поэтому физики не отчаиваются и постепенно перестраивают эксперименты на другие, менее ожидаемые диапазоны масс. Ученым сложно поверить в то, что материя, пусть и темная, может быть сделана не из частиц.

Поддерживая эту тенденцию, группа ученых под руководством Бласа Кабрера (Blas Cabrera) также разработала прототип детектора, улавливающего частицы темной материи с массой менее одной тысячной массы протона. В основе предложенной схемы лежат алмазные кристаллы, выращенные путем химического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD). По сравнению с другими детектирующими материалами, такие алмазы обладают рядом преимуществ. Во-первых, атомы углерода, из которых построена кристаллическая решетка алмаза, имеют небольшую массу (почти в десять раз меньше массы атомов ксенона), поэтому сильнее отклоняются при столкновениях с легкими частицами темной материи. Во-вторых, в алмазе легко распространяются фотоны и фононы. В-третьих, алмаз выдерживает очень сильные электрические поля (до 20 мегавольт на сантиметр). В-четвертых, CVD-алмазы практически не содержат примесей и дефектов. В-пятых, под алмазный детектор можно легко адаптировать техники, разработанные для установок на основе кремния или германия, поскольку все эти полупроводники обладают похожей структурой и свойствами.

Кроме того, алмазный детектор одновременно ищет частицы темной материи сразу тремя разными способами, отвечающими разным диапазонам масс. Каждый из этих способов ученые рассмотрели по отдельности. Во-первых, как и большинство других детекторов, алмазный детектор может отслеживать частицы темной материи по столкновениям с ядрами кристаллической решетки. Когда такое столкновение происходит, ядро немного отклоняется от равновесного положения, и решетка начинает колебаться. Кванты таких колебаний переносятся квазичастицами-фононами, которые можно почувствовать с помощью сенсоров электротепловых переходов с ловушкой квазичастиц (quasiparticle trap—assisted electrothermal-feedback transition edge sensor, QET). Грубо говоря, такие сенсоры состоят из ловушки, которая преобразуют энергию фононов в тепло, и чувствительного датчика тепла. По оценкам ученых, такие процессы наиболее чувствительны к частицам с массами порядка десяти—ста мегаэлектронвольт (масса протона составляет около 940 мегаэлектронвольт). В этой области детектор может заметить частицы, для которых сечение рассеяния на нуклоне не превышает 10⁻⁴³ квадратных сантиметров. Это на несколько порядков превышает чувствительность существующих экспериментов.

Во-вторых, когда частица темной материи пролетает сквозь алмаз, она может родить в нем электрон-позитронную пару. Если детектор находится в сильном электрическом поле, электрон и позитрон разбегутся в противоположные стороны и попадут в детекторы, расположенные вокруг алмаза. Благодаря высокой чистоте CVD-алмазов средняя длина пробега заряженных частиц даже при комнатной температуре достигает десяти сантиметров, что позволяет увеличить рабочую область детектора. Численно смоделировав такие процессы с помощью программы QEDARK, физики оценили чувствительность детектора. Оказалось, что рождение зарядов также позволяет отслеживать частицы с массами порядка десяти—ста мегаэлектронвольт. Тем не менее, ученые подчеркивают, что электрон-позитронные пары и фононы рождают разные типы темных частиц, которые обычно ищут на разных экспериментальных установках.

В-третьих, частица темной материи может перевести атом углерода в возбужденное состояние и заставить его излучать фотон. Подобно фононам или заряженным частицам, фотон бежит сквозь алмаз и попадает в фотодетектор. Поскольку вероятность такого процесса сильно зависит от сорта темных частиц, при анализе этого сценария ученые рассмотрели два наиболее популярных типа легкой темной материи: темные фотоны и аксионоподобные частицы. По оценкам теоретиков, масса обоих типов частиц лежит в диапазоне от 0,001 до 1000 электронвольт (или даже более широком диапазоне). Из расчетов группы Кабрера следует, что алмазный детектор способен просканировать этот диапазон и в несколько раз улучшить существующие оценки на константы связи темных частиц.

Авторы статьи утверждают, что в настоящий момент они уже работают над реальным прототипом детектора — массивами QET-сенсоров, лежащих в основе первого метода детектирования. Единственная проблема, которая может помешать сравниться с другими крупными экспериментами по поиску темной материи (XENON, CDMS, PandaX и так далее) — это высокая стоимость чистых кристаллов, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы. Тем не менее, ученые отмечают, что стоимость изготовления таких кристаллов с каждым годом уменьшается. В частности, уже сейчас килограмм CVD-алмазов можно купить по цене, сравнимой со стоимостью ксенона для эксперимента LUX-Zeplin. Кроме того, прежде чем строить настоящий детектор, ученым нужно придумать, как избавиться от фоновых процессов, которые перебивают сигнал от темной материи и «замыливают» наблюдаемую картину. В этой статье ученые этот вопрос детально не рассматривали.

Несмотря на неудачи детекторов темной материи, физики продолжают сканировать новые диапазоны масс. Для этого ученые разрабатывают новые методы поиска гипотетических частиц. Например, в ноябре 2017 сотрудники университета Брауна предложили отслеживать «легкие» частицы темной материи по квантовому испарению жидкого гелия, пронизанного электрическим полем. В марте этого года физики из США и Израиля придумали схему детектора с использованием сверхпроводящих проводов, которые нагреваются при столкновении с вимпами. Эту идею ученые позаимствовали из физики нейтрино. А на апрельской встрече американского физического сообщества исследователи из Университета штата Нью-Йорк в Олбани представили проект «снежковой камеры» — аналога пузырьковой и «туманной» камеры, «натренированного» на поиск легких частиц темной материи. По оценкам ученых, чувствительность такой установки по меньшей мере в сто раз превосходит существующие аналоги.

Дмитрий Трунин