Исследователи говорят, что новая стратегия, которая предназначена для обнаружения взаимодействий между частицами темной материи и резервуаром со сверхтекучим гелием, будет чувствительна к частицам в гораздо более низком диапазоне масс, чем это возможно в любых крупномасштабных экспериментах, проведенных до сих пор. .«Большинство крупномасштабных поисков темной материи до сих пор были направлены на поиск частиц с массой где-то в 10–10 000 раз больше массы протона», — сказал Дерек Штайн, физик, который стал соавтором работы с двумя его Браунами. Коллеги по университету, Хамфри Марис и Джордж Зайдель. «Ниже 10 масс протонов эти эксперименты начинают терять свою чувствительность. Что мы хотим сделать, так это расширить чувствительность по массе на три или четыре порядка величины и исследовать возможность частиц темной материи, которые намного легче».Статья с описанием нового детектора опубликована в Physical Review Letters.
Пропавший вопросХотя это еще не было обнаружено напрямую, физики совершенно уверены, что темная материя должна существовать в той или иной форме.
То, как вращаются галактики, и степень, в которой изгибается свет при перемещении по Вселенной, позволяют предположить, что существует какой-то невидимый объект, создающий свою гравитацию.Основная идея природы темной материи заключается в том, что это некая частица, хотя и очень редко взаимодействующая с обычной материей. Но никто не совсем уверен, какими могут быть свойства частицы темной материи, потому что никто еще не зарегистрировал одно из этих редких взаимодействий.
По словам Штейна, была веская причина искать в диапазоне масс, в котором до сих пор было сосредоточено большинство экспериментов с темной материей. Частица в таком диапазоне масс свяжет множество нечетких теоретических целей.
Например, теория суперсимметрии — идея о том, что все обычные частицы, которые мы знаем и любим, имеют скрытые частицы-партнеры — предсказывает кандидатов в темную материю порядка сотен масс протонов.Но из-за того, что эти частицы не были показаны в экспериментах, некоторые физики думают о том, как искать в другом месте. Это побудило теоретиков предложить модели, в которых темная материя имела бы гораздо меньшую массу.Новый подход
Стратегия обнаружения, которую придумали исследователи Брауна, включает ванну со сверхтекучим гелием. Идея состоит в том, что частицы темной материи, проходящие через ванну, в очень редких случаях должны врезаться в ядро атома гелия. Это столкновение произведет 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 выброс атомов гелия в вакуумное пространство над поверхностью.
Обнаружение этих выпущенных атомов будет сигналом о том, что в ванне произошло взаимодействие с темной материей.«Последний момент — 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 только одного атома с поверхности. Этот единственный атом будет переносить только около одного миллиэлектронвольт энергии, что делает его практически невозможным для обнаружения любыми традиционными средствами.
Новизна этой новой схемы обнаружения — это средство усиления этой крошечной, одноатомной энергетической сигнатуры.Он работает, генерируя электрическое поле в вакуумном пространстве над жидкостью с помощью набора небольших положительно заряженных металлических штырей. Когда атом, выпущенный с поверхности гелия, приближается к булавке, положительно заряженный наконечник украдет у него электрон, создавая положительно заряженный ион гелия.
Этот недавно созданный положительный ион будет находиться в непосредственной близости от положительно заряженного штифта, 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 обнаруживает изменение температуры, когда частица врезается в него.«Если мы приложим 10 000 вольт к этим маленьким контактам, то ион улетит с 10 000 вольт», — сказал Марис. «Так что именно эта функция ионизации дает нам новый способ обнаружить только один атом гелия, который может быть связан с взаимодействием с темной материей».Чувствителен при малой массеЭтот новый тип детектора не будет первым, в котором используется идея ванны с жидким газом.
В недавно завершенном эксперименте с большим подземным ксеноном (LUX) и в его преемнике LUX-ZEPLIN используются емкости с газом ксеноном. По словам исследователей, использование гелия вместо него дает важное преимущество при поиске частиц с меньшей массой.
Чтобы столкновение можно было обнаружить, падающая частица и атомные ядра-мишени должны иметь совместимую массу. Если падающая частица будет намного меньше по массе, чем ядра-мишени, любое столкновение приведет к тому, что частица просто отскочит, не оставив следов. Поскольку LUX и L-Z предназначены для обнаружения частиц с массой более чем в пять раз больше массы протона, они использовали ксенон, ядро которого составляет около 100 масс протона.
Гелий имеет ядерную массу всего в четыре раза больше, чем протон, что делает более совместимую мишень для частиц с гораздо меньшей массой.Но даже более важной, чем легкая 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 детектор частицами с очень малой массой. Команда Брауна считает, что его устройство будет чувствительно к массам, вдвое 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 в создании такого детектора будут фундаментальные эксперименты, чтобы лучше понять аспекты того, что происходит в сверхтекучем гелии, и точную динамику схемы ионизации.«На основе этих фундаментальных экспериментов, — говорит Стейн, — мы сможем разработать проекты для более крупного и полного эксперимента с темной материей».
Исследование частично финансировалось Национальным научным фондом (DMR-1505044).