Исследователи изучают новые способы охоты на темную материю
В течение десятилетий астрономы и физики пытались разгадать одну из самых глубоких загадок космоса: по оценкам, 85% его массы отсутствует. Многочисленные астрономические наблюдения показывают, что видимой массы во Вселенной недостаточно, чтобы удерживать галактики вместе и объяснять, как слипается материя. Какой-то невидимый, неизвестный тип субатомных частиц, получивший название темной материи, должен обеспечивать дополнительный гравитационный клей. В подземных лабораториях и на ускорителях частиц ученые безуспешно ищут эту темную материю уже более 30 лет. Исследователи из NIST сейчас изучают новые способы поиска невидимых частиц. В одном исследовании, прототипе гораздо большего эксперимента, исследователи использовали современные сверхпроводящие детекторы для поиска темной материи.
Исследование уже наложило новые ограничения на возможную массу одного типа предполагаемой темной материи. Другая команда NIST предположила, что захваченные электроны, обычно используемые для измерения свойств обычных частиц, могут также служить высокочувствительными детекторами гипотетических частиц темной материи, если они несут заряд. В исследовании сверхпроводящего детектора ученые NIST Джефф Чайлз и Сае Ву Нам и их сотрудники использовали сверхпроводящие нанопроволоки из силицида вольфрама, толщина которых составляет всего одну тысячную ширины человеческого волоса, в качестве детекторов темной материи.
«Сверхпроводимость» относится к свойству, которым некоторые материалы, такие как силицид вольфрама, обладают при сверхнизких температурах: нулевое сопротивление потоку электрического тока. Системы таких проводов, официально известные как детекторы одиночных фотонов со сверхпроводящими нанопроволоками (SNSPD), чрезвычайно чувствительны к чрезвычайно малым количествам энергии, сообщаемой фотонами (частицами света) и, возможно, частицами темной материи, когда они сталкиваются с детекторами. Исследователи работают с SNSPD при температуре чуть ниже порога, необходимого для того, чтобы нанопроволоки стали сверхпроводящими. Таким образом, даже незначительное количество энергии, выделяемое падающей частицей, будет выделять достаточно тепла, чтобы создать электрическое сопротивление в проводе.
Теперь, когда поток тока через нанопроволоку затруднен, ток проходит по второму пути, подключенному к электрическому усилителю. Ток генерирует кратковременное, но поддающееся измерению напряжение — сигнал о том, что часть нанопроволоки нагрелась при взаимодействии с фотоном или, возможно, с частицей темной материи. Эксперимент SNSPD состоял из небольшого квадратного массива нанопроволок диаметром 140 нанометров (нм или миллиардных долей метра) каждая, расположенных на расстоянии 200 нм друг от друга, заключенных в светонепроницаемую коробку. Исследователи добавили набор из двух типов изолирующих материалов, чтобы повысить вероятность того, что система сможет искать тип гипотетической частицы темной материи, известной как темный фотон.
Согласно теоретическим предсказаниям, темный фотон, столкнувшийся со стопкой, скорее всего, аннигилирует сам и породит вместо себя обычный инфракрасный фотон. Затем линза фокусировала фотон на цепь SNSPD, где он мог взаимодействовать с нанопроволоками и обнаруживаться как сигнал напряжения. Небольшой 180-часовой эксперимент не обнаружил следов темных фотонов в диапазоне малой массы от 0,7 до 0,8 электрон-вольт/с2 (эВ/с2), что составляет менее полумиллионной массы электрона, самого легкого из известных стабильных фотонов. частица. (Поскольку массы субатомных частиц слишком малы, чтобы их можно было удобно выразить в виде долей килограмма, вместо этого физики используют определение массы в эйнштейновской формуле E=mc2.)
По словам Нама, хотя эксперимент должен быть выполнен в большем масштабе с использованием гораздо большего количества детекторов, чтобы обеспечить расширенный набор данных, он по-прежнему является наиболее чувствительным поиском темных фотонов, выполненным на сегодняшний день в этом диапазоне масс. Исследователи, в том числе сотрудники из Массачусетского технологического института, Стэнфордского университета, Вашингтонского университета, Нью-Йоркского университета и Института Флэтайрона, сообщили о своих результатах в статье, опубликованной в Physical Review Letters. Во втором отчете некоторые из тех же исследователей NIST и их сотрудники проанализировали данные первого исследования по-другому. Ученые проигнорировали потенциальные эффекты набора изолирующего материала и сосредоточились только на том, способны ли какие-либо частицы темной материи взаимодействовать с отдельными электронами в самом детекторе из нанопроволоки — либо рассеивая электрон, либо поглощаясь им.
Несмотря на то, что это небольшое исследование, оно наложило сильнейшие ограничения из всех экспериментов на сегодняшний день — за исключением астрофизических исследований и исследований Солнца — на силу взаимодействия между электронами и темной материей в диапазоне масс субмиллиона эВ. По словам Чайлза, это делает вероятным то, что увеличенная версия установки SNSPD может внести значительный вклад в поиск темной материи. Он и его коллеги из Еврейского университета в Иерусалиме, Калифорнийского университета в Санта-Круз, Института физики элементарных частиц Калифорнийского университета в Санта-Крус; и Массачусетский технологический институт сообщили об этом анализе в статье в журнале Physical Review D от 8 декабря.
В третьем исследовании физик из Национального института технологий и технологий США и его коллеги предположили, что отдельные электроны, электромагнитно ограниченные небольшой областью пространства, могут быть чувствительными детекторами заряженных частиц темной материи. Более трех десятилетий ученые использовали гораздо большую популяцию положительно заряженных ионов бериллия для исследования электрических и магнитных свойств обычных (не темных) заряженных частиц. Однако электроны были бы идеальными детекторами для обнаружения частиц темной материи, если бы эти частицы имели хотя бы малейший электрический заряд. Это связано с тем, что электроны имеют наименьшую массу из всех известных заряженных частиц и поэтому легко толкаются или притягиваются малейшими электрическими возмущениями, такими как частица с небольшим электрическим зарядом, проходящая поблизости.
По словам физика NIST Джейка Тейлора, сотрудника Объединенного квантового института и Объединенного центра квантовой информации и компьютерных наук, для обнаружения заряженных частиц темной материи с зарядом, равным одной сотой электрона, потребуется всего несколько одиночных захваченных электронов. исследовательское партнерство между NIST и Университетом Мэриленда. Электроны, захваченные электромагнитным полем, будут охлаждаться до доли градуса выше абсолютного нуля, чтобы ограничить присущее частице дрожание. Тейлор вместе с Дэниелом Карни из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии, Хартмутом Хаффнером из Калифорнийского университета в Беркли и Дэвидом С. Муром из Йельского университета описали предложенный ими эксперимент в Physical Review Letters.
Сконфигурировав ловушку так, чтобы сила удержания электрона была разной по каждому измерению — длине, ширине и высоте — ловушка потенциально могла бы также предоставить информацию о направлении, откуда прибыла частица темной материи. Однако ученые должны решить технологическую проблему, прежде чем они смогут использовать улавливание электронов для поиска темной материи. Фотоны используются для охлаждения, управления и обнаружения движения захваченных ионов и электронов. Для ионов бериллия эти фотоны, генерируемые лазером, попадают в диапазон видимого света. Технология, которая позволяет фотонам видимого света манипулировать захваченными ионами бериллия, хорошо известна. Напротив, фотоны, необходимые для обнаружения движения отдельных электронов, имеют микроволновую энергию, и необходимая технология обнаружения еще не усовершенствована. Однако, если интерес к проекту будет достаточно сильным, ученые могут разработать электронную ловушку, способную обнаруживать темную материю, менее чем за пять лет, по оценке Карни.
В другом исследовании исследователь NIST и международная группа коллег ищут темную материю за пределами Земли. Команда, в которую входят Марианна Сафронова из Университета Делавэра и Объединенного квантового института, предложила использовать атомные часы нового поколения, установленные на космическом корабле, который будет лететь ближе к Солнцу, чем орбита Меркурия, чтобы искать признаки сверхлегкой темной материи. Этот гипотетический тип темной материи, связанный с ореолом, окружающим Солнце, может вызвать крошечные изменения фундаментальных констант природы, включая массу электрона и постоянную тонкой структуры. Изменения этих констант изменили бы частоту, с которой вибрируют атомные часы, скорость, с которой они «тикают». Среди большого разнообразия атомных часов исследователи должны тщательно выбрать два, которые имеют разную чувствительность к изменениям фундаментальных констант, вызванных сверхлегкой темной материей. Исследователи подсчитали, что, измерив соотношение двух различных частот, ученые могли бы выявить присутствие темной материи. Они описывают свой анализ в статье, размещенной в Интернете в журнале Nature Astronomy.
