Физики предложили схему универсального алмазного детектора темной материи

17 июня 2019
87

Физики 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. 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. Группа ученых из разных стран 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.