Физики из Университета Брауна разработали новую стратегию прямого обнаружения темной материи, неуловимого материала, который, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной.
Новая стратегия, разработанная для обнаружения взаимодействий между частицами темной материи и баком сверхтекучего гелия, будет чувствительна к частицам в гораздо более низком диапазоне масс, чем это возможно в любом из крупномасштабных экспериментов, проводимых таким образом. далеко, говорят исследователи.
«Большинство крупномасштабных поисков темной материи до сих пор были направлены на поиск частиц с массой где-то между 10 и 10 000 раз больше массы протона», - сказал Дерек Стейн, физик, соавтор работа с двумя его коллегами из Университета Брауна, Хамфри Марисом и Джорджем Зайделем.«При массе протона менее 10 эти эксперименты начинают терять свою чувствительность. Что мы хотим сделать, так это снизить чувствительность по массе на три или четыре порядка и изучить возможность существования частиц темной материи, которые намного легче».
Статья с описанием нового детектора опубликована в Physical Review Letters.
Пропавшие без вести
Хотя это еще не было обнаружено напрямую, физики вполне уверены, что темная материя должна существовать в той или иной форме. То, как вращаются галактики, и степень, в которой свет изгибается, когда он путешествует по Вселенной, предполагает, что есть какая-то невидимая субстанция, распространяющая свою гравитацию.
Основная идея природы темной материи состоит в том, что это своего рода частица, хотя и очень редко взаимодействующая с обычной материей. Но никто точно не знает, какими могут быть свойства частиц темной материи, потому что никто еще не зафиксировал одно из этих редких взаимодействий.
По словам Штейна, были веские причины для поиска в диапазоне масс, где до сих пор было сосредоточено большинство экспериментов с темной материей. Частица в этом диапазоне масс свяжет множество свободных теоретических концов. Например, теория суперсимметрии - идея о том, что все обычные частицы, которые мы знаем и любим, имеют скрытые партнерские частицы - предсказывает кандидатов в темную материю порядка сотен протонных масс.
Но отсутствие этих частиц в экспериментах до сих пор заставляет некоторых физиков задуматься о том, как искать в другом месте. Это побудило теоретиков предложить модели, в которых темная материя будет иметь гораздо меньшую массу.
Новый подход
Стратегия обнаружения, предложенная исследователями Брауна, включает в себя ванну со сверхтекучим гелием. Идея состоит в том, что частицы темной материи, проходящие через ванну, должны в очень редких случаях врезаться в ядро атома гелия. Это столкновение породило бы фононы и ротоны - крошечные возбуждения, примерно похожие на звуковые волны, - которые распространяются без потери кинетической энергии внутри сверхтекучей жидкости. Когда эти возбуждения достигают поверхности жидкости, они вызывают высвобождение атомов гелия в вакуумное пространство над поверхностью. Обнаружение этих выпущенных атомов будет сигналом того, что в ванне произошло взаимодействие темной материи.
«Последняя часть - сложная часть», - сказал Марис, который работал над аналогичными схемами обнаружения на основе гелия других частиц, таких как солнечные нейтрино. Столкновение маломассивной частицы темной материи может привести к высвобождению с поверхности только одного атома. Этот единственный атом будет нести только около одного миллиэлектрон-вольта энергии, что делает его практически невозможным для обнаружения любыми традиционными средствами. Новизна этой новой схемы обнаружения заключается в том, чтобы усилить эту крошечную энергетическую сигнатуру из одного атома.
Он работает, генерируя электрическое поле в вакууме над жидкостью с помощью массива маленьких положительно заряженных металлических штифтов. Когда атом, выпущенный с поверхности гелия, приближается к булавке, положительно заряженный кончик крадет у нее электрон, создавая положительно заряженный ион гелия. Этот вновь созданный положительный ион будет находиться в непосредственной близости от положительно заряженного стержня, и поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, ион улетит с достаточной энергией, чтобы его можно было легко обнаружить с помощью стандартного калориметра, устройства, которое регистрирует изменение температуры при изменении температуры. частица сталкивается с ним.
«Если мы подадим 10 000 вольт на эти маленькие штифты, то этот ион улетит с 10 000 вольт на нем», - сказала Марис. «Итак, именно эта функция ионизации дает нам новый способ обнаружения всего лишь одного атома гелия, который может быть связан с взаимодействием с темной материей».
Чувствительность при низкой массе
Этот детектор нового типа не будет первым, использующим идею бака с жидким газом. В недавно завершенном эксперименте «Большой подземный ксенон» (LUX) и его преемнике, LUX-ZEPLIN, используются емкости с газом ксенон. Исследователи говорят, что вместо этого использование гелия дает важное преимущество при поиске частиц с меньшей массой.
Чтобы столкновение можно было обнаружить, прилетающая частица и ядра атомов-мишеней должны иметь совместимую массу. Если влетающая частица намного меньше по массе, чем ядра-мишени, любое столкновение приведет к тому, что частица просто отскочит, не оставив следа. Поскольку LUX и L-Z предназначены для обнаружения частиц с массой более чем в пять раз больше массы протона, они использовали ксенон, ядро которого имеет массу протона около 100. Масса ядра гелия всего в четыре раза больше, чем у протона, что делает его более подходящей мишенью для частиц с гораздо меньшей массой.
Но даже более важной, чем световая мишень, по словам исследователей, является способность новой схемы обнаруживать только один атом, испарившийся с поверхности гелия. Такая чувствительность позволила бы устройству обнаруживать крошечные количества энергии, выделяемой в детекторе частицами с очень малыми массами. Команда Брауна считает, что их устройство будет чувствительно к массам, примерно в два раза превышающим массу электрона, что примерно в 1000-10 000 раз легче, чем частицы, обнаруживаемые до сих пор в крупномасштабных экспериментах с темной материей.
Стейн говорит, что первыми шагами к реальному воплощению такого детектора в жизнь будут фундаментальные эксперименты, направленные на лучшее понимание аспектов того, что происходит в сверхтекучем гелии, и точной динамики схемы ионизации.
«На основе этих фундаментальных экспериментов, - говорит Штейн, - мы создадим проекты для более крупного и полного эксперимента с темной материей».
Исследование частично финансировалось Национальным научным фондом (DMR-1505044).