Усъвършенстван детектор на единични фотони търси „лека“ тъмна материя

Смята се, че около 80% от масата на Вселената се състои от тъмна материя. Все още обаче знаем съвсем малко за състава и структурата на частиците, които съставляват тъмната материя, а това от своя страна поставя пред физиците някои фундаментални въпроси. За да изследват тази неуловима материя, изследователите се опитват да уловят фотони, или светлинни частици, които се образуват, когато частиците тъмна материя се сблъскват с познатата ни видима материя.

Досега повечето експерименти се фокусират върху частици тъмна материя с маса, която до голяма степен съвпада с тази на известните елементарни частици. Ако обаче частиците са по-леки от електрона, е малко вероятно да бъдат открити с настоящите стандартни детектори, а именно детектори на базата на течен ксенон. Досега нито един експеримент не е успял да открие директно тъмна материя. Само по себе си това е важно откритие, тъй като показва, че частиците тъмна материя не съществуват в тествания диапазон на маса и сила на взаимодействие.

Ново устройство, чувствително към събития с по-ниска енергия

Международен екип, ръководен от Лаура Боудис, Титус Нойперт, Бьорн Пенинг и Андреас Шилинг от Катедрата по физика на Университета в Цюрих, успя да проучи съществуването на частици тъмна материя в широк диапазон на маса под един мегаелектронволт (MeV). Използвайки подобрен свръхпроводящ нанопроводников детектор на единични фотони (SNSPD), изследователите достигнаха праг на чувствителност от около една десета от масата на електрона, над който е малко вероятно да съществуват частици тъмна материя.

Резултатите са публикувани в списанието Physical Review Letters.

„За първи път успяхме да търсим частици от тъмна материя в толкова нисък масов диапазон, което стана възможно благодарение на нова детекторна технология“, казва първият автор Боудис.

В доказателство на концепцията от 2022 г. изследователите тестваха първото SNSPD устройство, което е високочувствително към фотони с по-ниска енергия. Когато фотон удари наножицата, той я загрява леко и я кара да загуби незабавно свръхпроводимостта си. Жицата за кратко се превръща в обикновен проводник и полученото увеличение на електрическото съпротивление може да бъде измерено.

Откриване на най-малките частици тъмна материя

За най-новия си експеримент учените от UZH оптимизираха SNSPD за откриване на тъмна материя. По-специално, те го оборудваха със свръхпроводящи микрожици вместо наножици, за да максимизират неговото напречно сечение. Те му придадоха и тънка, плоска геометрия, която го прави високочувствителен към промени в посоката. Учените предполагат, че Земята преминава през „вятър“ от частици тъмна материя и затова посоката на частиците се променя в течение на годината в зависимост от относителната скорост. Устройство, способно да улавя промени в посоката, може да помогне за филтриране на събития, които не са свързани с тъмна материя.

„По-нататъшни технологични подобрения на SNSPD биха ни позволили да откриваме сигнали от частици тъмна материя с още по-малка маса. Искаме също да разположим системата под земята, където ще бъде по-добре защитена от други източници на радиация“, казва Титус Нойперт. Под масата на електроните, настоящите модели за описание на тъмната материя се сблъскват със значителни астрофизични и космологични ограничения.

Източник: Phys.org