Запропоновано нову ідея з пошуку легких частинок темної матерії • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Фізика, Астрофізика

Запропоновано нову ідея з пошуку легких частинок темної матерії

Мал. 1. Надчутливі датчики енергії, на зразок показаного тут надпровідного мікроскопічного болометра, укупі зі сверхпроводником великого обсягу можуть привести до прориву в задачі пошуку легких частинок темної матерії. Зображення з сайту laserfocusworld.com

Пошук частинок темної матерії з масою менше 1 ГеВ – завдання виняткової технічної складності. Жоден з існуючих зараз детекторів до таких частинок нечутливий. У статті американських теоретиків пропонується ідея нового надпровідного детектора, який дозволить відчути частинки темної матерії з масами в мегаелектронвольтном і навіть кілоелектронвольтном діапазонах, розширюючи тим самим область пошуків на 4-5 порядків.

Труднощі пошуку частинок темної матерії

Пошук частинок темної матерії – заняття невдячне. Ви можете запропонувати блискучу експериментальну ідею, поставити новий надточний експеримент, але якщо частинок темної з очікуваними властивостями в природі немає, то і експеримент покаже нульовий результат. Колеги висловлять захоплення вашої кмітливістю, поплескав вас по плечу, але потім підуть шукати темну матерію далі.

Причина такої ситуації в тому, що фізикам відомі про темну матерію лише найзагальніші відомості. Відомо, скільки її у Всесвіті, як приблизно вона розподілена і більш-менш з якою швидкістю рухаються частинки темної матерії (в околиці сонячної системи – близько однієї тисячної швидкості світла). Однак зовсім невідомі ні маси частинок темної матерії, ні характер їх взаємодії один з одним і із звичайною речовиною. Залишається відкритим навіть питання, абсолютно чи стабільні ці частинки або ж вони просто живуть дуже довго, порівняно з віком Всесвіту.

Залежно від мас і характеру взаємодії шукати частинки темної матерії можна різними методами, але загальна схема така. Потік частинок темної матерії "дует" крізь Землю, але через мізерну ймовірності їх взаємодії із звичайною речовиною цей потік ми не помічаємо. Лише дуже рідко якась частка темної матерії стикається з атомом, передаючи йому частку своєї кінетичної енергії (рис. 2). Для експериментатора це виглядає так: у спочиваючому детекторі, десь в глибині обсягу, один з атомів раптом сіпнувся, немов по ньому завдали точкового удару.Енергія цього ривка невелика, але якщо детектор досить чутливий, а шуми відсутні, він зможе зареєструвати таку подію.

Мал. 2. Частинки темної матерії, пронизуючи детектор наскрізь, зрідка стикаються з ядрами робочої речовини і передають їм частину своєї енергії. Детектор реєструє енерговиділення і тим самим фіксує подія. Малюнок з завдання Детектор частинок темної матерії

Проблема в тому, що експериментатори заздалегідь не знають ні скільки енергії виділяється в одному таку подію, ні як часто вони повинні відбуватися, ні з яким саме речовиною найкраще взаємодіють частинки темної матерії. Тому фізики проводять всі експерименти, які їм вдається поставити, намагаючись покрити якомога більшу область на площині двох ключових параметрів – маси частинок темної матерії і перетину їх розсіювання із звичайною речовиною (див. Докладну розповідь в новини Експеримент LUX поки не виявив частинки темної матерії, "Елементи", 31.10.2013). На рис. 3 показано нинішній стан справ. Видно, що найкраще детектори відчували б частинки темної матерії з масою в десятки ГеВ. Для більш легких частинок, особливо в області нижче декількох ГеВ, чутливість детектора різко падає.Сама ця залежність була детально розібрана в завданні Детектор частинок темної матерії, а тут, в світлі подальшої розмови, корисно розібратися в тому, звідки береться така межа – кілька ГеВ.

Мал. 3. Нинішні обмеження на масу і перетин розсіювання частинок темної матерії, отримані в різних експериментах. Закритими є області вище різнокольорових кривих. Деякі експерименти, втім, дають позитивні результати; вони показані світлими овалами. Області неправильний форми в нижній частині графіка – передбачення різних теоретичних моделей. Графік з огляду по фізиці елементарних частинок K. A. Olive et al. (Particle Data Group), 2014. Dark Matter

Енерговиділення в детекторі

Ця межа визначається простою механікою зіткнення, а також чутливістю датчиків енерговиділення. Погляньте на рис. 4. Частка темної матерії з масою, скажімо, mX = 10 ГеВ і швидкістю 1/1000 від швидкості світла має кінетичної енергією 5 кеВ. Стикаючись з ядром, вона передає йому невелику частку цієї енергії, особливо якщо ядро ​​важке (світло-червоні стрілки). У детекторі в результаті виділяється енергія ED близько 1 кеВ, і цього вистачає для іонізації близько сотні атомів і реєстрації події (див.подробиці технології на прикладі детектора CoGeNT в новини Нові дані експерименту CoGeNT як і раніше вказують на реєстрацію частинок темної матерії, "Елементи", 24.01.2014). Якщо взяти частку темної матерії в десять разів легше, mX = 1 ГеВ, то викликане нею енерговиділення при зіткненні з ядром зменшиться приблизно в сто разів, до декількох еВ. Звичайним детектором такі частинки вже не зловиш – занадто слабка іонізація. Втім, якщо використовувати напівпровідникові датчики, то є шанс дістатися і до цієї області. Такі детектори частинок темної матерії вже обговорюються (див .: R. Essig, J. Mardon, T. Volansky, 2011. Direct Detection of Sub-GeV Dark Matter), але до реального експерименту справа поки не дійшла.

Мал. 4. Відповідність між шкалами мас частинок темної матерії, їх типових кінетичних енергій і енерговиділенням в детекторі, що виникає при зіткненні з ядрами (червоні стрілки) Або з електронами (зелені стрілки). Різні технології детектування дозволяють відчути частинки темної матерії різних мас

При подальшому зменшенні mX енерговиділення ED стає зовсім мізерним. Ситуацію тут може врятувати лише припущення, що темна матерія може стикатися не тільки з ядрами, а й з електронами (темно-зелені стрілки на рис. 4).Маса електрона – половина МеВ, тому частинки темної матерії МеВного діапазону цілком можуть породити енерговиділення кілька еВ. Однак нижче цього порога енерговиділення починає різко падати навіть при зіткненні з електронами. Наприклад, при масі mX = 10 кеВ – а такі частинки цілком можливі, вони не суперечать ніяким спостереженням – ED становитиме сущі мілліелектронвольти (меВ). Цієї енергії не вистачить навіть для іонізації одиночного атома. Більш того, при кімнатній температурі це одноразове енерговиділення просто потоне в теплових рухах атомів, енергія яких становить десятки МеВ. І якщо з тепловим шумом ще можна впоратися, охолодивши робоча речовина до наднизьких температур, то зареєструвати мілліелектронвольтное енерговиділення – завдання надскладна.

Нова ідея

У цій ситуації справжнім порятунком виглядає нова ідея, запропонована в недавній статті Superconducting Detectors for Super Light Dark Matter. Її автори звертають увагу на те, що мілліелектронвольти – це масштаб енергій, характерний для електронів в низькотемпературних надпровідниках. У надпровідного стану вільні електрони об'єднані в куперовские пари і рухаються синхронно, хоча і знаходяться на значній відстані один від одного.Саме тому їх вільному руху (тобто електричного струму) не заважають перешкоди або інші дії – до тих пір, поки вони куперовской пару не руйнують. Типова енергія зв'язку куперовской пари і становить мілліелектронвольти.

Автори пропонують використовувати цю властивість надпровідників наступним чином. Легка частка темної матерії стикається з одним з електронів в робочому обсязі детектора, в надпровіднику, і руйнує куперовской пару. Два звільнилися електрона або рекомбінують знову в пару, і тоді в надпровіднику виділяється нетепловий фонон, або пускаються у вільний блукання по матеріалу. В обох випадках виходить досить довгоживучі збудження, яке може досягти надчутливого датчика і викликати його спрацьовування. Такі датчики вже існують, але вони дуже маленькі, а для полювання за темною матерією потрібні великі обсяги. Однак їх можна об'єднати в тандем: частинки уловлюються сверхпроводником великого обсягу, а реєструють наслідки зіткнення надпровідні датчики, встановлені по краях.

Автори оцінили очікуваний темп реєстрації для частинок темної матерії різних мас і різних перетинів розсіювання,і продемонстрували нові можливості, які відкриє новий клас детекторів. На рис. 5 показані типові обмеження на площині маса-перетин, які стануть доступні описаною методикою після експозиції в один кілограм-рік. Видно, що за своєю чутливості вона на кілька порядків перевершує можливості навіть напівпровідникових детекторів, які ще толком не розроблені, не кажучи вже про звичайних детекторах темної матерії.

Мал. 5. Очікувані обмеження на площині мас і перетинів легких частинок темної матерії. різні кольорові криві показують максимальний перетин для частинок темної матерії різної маси (горизонтальна шкала) І для частинок – переносників взаємодії (різні кольори), Яке ще не суперечить всім наявним даними. чорні криві – області параметрів, які зможе перевірити надпровідний детектор з порогом 10 МеВ або 1 МеВ. сіра крива – очікуване обмеження, яке буде доступно полупроводниковому детектору на основі германію. Зображення з обговорюваної статті

У цій схемі, звичайно, є чимало тонкощів. Деякі з них автори вже акуратно врахували, інші – тільки описали в загальних рисах, а детальне опрацювання залишили на потім.Згадаємо лише деякі моменти, за рахунок яких цей тип експериментів відрізняється від звичайних пошуків темної матерії.

  • У звичайному детекторі атом відчуває віддачу від зіткнення з часткою темної матерії, відлітає вбік і ніщо цьому ефекту не заважає. У металі вільних електронів дуже багато і вони заважають один одному за рахунок принципу Паулі. Це додатково ускладнює розсіювання частинок темної матерії на електронах, і при розрахунку ефекту це блокування необхідно врахувати.
  • Традиційні детектори, розраховані на енерговиділення порядку кеВ і вище, повинні зреагувати на кожне зіткнення частинок темної матерії з речовиною. У запропонованому експерименті таку поштучний реєстрацію подій зробити не вийде – аж надто слабкий сигнал від кожного зіткнення. Але оскільки фонони або вільні електрони живуть довго, можна накопичити їх від декількох зіткнень і зареєструвати вже цей сумарний відгук. Така концентрація слабкого сигналу – одна з ключових особливостей запропонованого методу.
  • У звичайному експерименті швидкість руху ядра набагато менше швидкості налітає частинки темної матерії.Це ускладнює розрахунок ефекту, оскільки ми не дуже добре знаємо розподіл часток темної матерії за швидкостями. В експерименті зі сверхпроводниками, де частинки темної матерії стикаються з електронами, швидкість електронів вже значно більше швидкості "зустрічного вітру" темної матерії. Тому розподіл темної матерії за швидкостями (яке погано відомо) виявляється несуттєвим.

Автори позиціонують свою пропозицію як потенційний прорив в завданні прямого пошуку частинок темної матерії. Вони, втім, визнають, що попереду лежить довгий і важкий шлях від початкової концепції до працюючого прототипу. Однак вони сподіваються, що сам факт принципової доступності кеВного діапазону мас для експериментальної перевірки послужить хорошим стимулом для розвитку описаної технології.

джерело: Yonit Hochberg, Yue Zhao, Kathryn M. Zurek. Superconducting Detectors for Super Light Dark Matter // е-принт arXiv: 1504.07237 [hep-ph], 27 Apr 2015.

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: