Владимир Моисеев – Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя (страница 43)
Такой метод поиска особенно чувствителен к частицам темной материи с массой, примерно равной массе атомного ядра, то есть около нескольких десятков гигаэлектронвольт. При поиске более легких частиц, с массой меньше массы протона, детектор уже «слепнет». Главная причина здесь — порог чувствительности датчиков. Легкая частица темной материи обладает маленькой кинетической энергией, да еще и передает атому при столкновении лишь мизерную ее часть. Поэтому, несмотря на десятилетия поисков, огромный диапазон на шкале масс частиц темной материи ниже массы легких ядер остается практически непроверенным, хотя теоретически он вполне разрешен.
В статье предлагается создать детектор нового типа, который будет чувствителен к частицам темной материи легче электрона. Основывается эта методика на явлении сверхпроводимости. Удар легкой частицы темной материи непосредственно по электрону (а не по атомному ядру) приведет к выделению энергии меньше одного электронвольта. В сверхпроводнике тогда возникнет долгоживущее возбуждение, которое будет зарегистрировано чувствительным датчиком.
Авторы оценили ожидаемый темп регистрации частиц темной материи разных масс и продемонстрировали, что если этот метод будет реализован, он единым махом расширит доступный исследованиям диапазон на несколько порядков. Конечно, от этой общей схемы и до работающего прототипа лежит длинный путь. Однако авторы статьи надеются, что сам факт принципиальной возможности протестировать легкие частицы темной материи послужит хорошим стимулом для развития технологии.
nplus1, 14 мая 2015, Игорь Иванов
https://nplus1.ru/news/2015/05/14/superconductordarksearch
Архив препринтов arxiv.org.
http://arxiv.org/abs/1504.07237
Глава 11-14-2
«Яркие искры» прольют новый свет на природу темной материи
Февраль 2016
Ученые продвинулись на шаг вперед на пути к обнаружению легких элементарных частиц темной материи, благодаря сверхвысокочувствительному детектору. Две статьи, описывающие эти научные результаты, опубликованы в свежем номере журнала European Physical Journal C.
В новом исследовании ученые европейского научного проекта CRESST-II используют так называемый метод «фононового свечения» для обнаружения темной материи. В своей работе исследователи впервые использовали инновационный детектор с настолько низким порогом срабатывания, что он может обеспечить чувствительность, требуемую для обнаружения прежде не уловимых частиц темной материи.
Экспериментальное обнаружение частиц темной материи напоминает по форме изучение столкновения бильярдных шаров, так как при этом происходит рассеяние частицы темной материи на ядре атома. Этот метод обнаружения частиц темной материи основан на явлении нагрева за счет столкновений кристалла вольфрамата кальция (CaWO4).
Проблема при таком методе исследования состоит в том, что чем легче частица, тем меньше накопленной энергии остается в кристалле после столкновения. Поэтому беспрецедентная чувствительность детектора CRESST-II делает его уникальным инструментом для обнаружения частиц темной материи.
Astronews, 2 февраля 2016
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=8181
Проект CRESST-II
Глава 11-14-3
«Радио для темной материи» поможет найти темные фотоны
Октябрь 2017
Группа экспериментаторов из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработала прототип устройства, предназначенного для детектирования волн темной материи. Это устройство, работающее по принципу радиоприемника, нацелено на поиск частиц темной материи небольшой массы — в первую очередь так называемых темных фотонов и аксионов. О разработке сообщает Symmetry Magazine.
Все существующие детекторы построены в надежде засечь редкое столкновение частицы темной материи с частицей детектора. Но такой подход сработает только если темные частицы имеют достаточно большую массу, и их энергии хватит, чтобы столкновение удалось засечь.
Принцип работы нового устройства, которое авторы называют «радио для темной материи», основан на явлении корпускулярно-волнового дуализма — фундаментального свойства нашего мира, согласно которому все элементарные частицы проявляют также и волновые свойства. Например, фотон является частицей света, но поток фотонов обычно воспринимается как электромагнитная волна — в зависимости от его частоты это может быть свет, СВЧ-излучение, радиосигнал и так далее. Но фотон это все же частица, поскольку попадая на детектор, он всегда вызывает один четкий щелчок, а не нечто «размазанное» в пространстве или времени.
Разработанный прибор будет вести поиски двух конкретных кандидатов в частицы темной материи: темных фотонов и аксионов. Темные фотоны — это гипотетические аналоги привычных нам фотонов, но принадлежащие так называемому темному или скрытому сектору частиц — группе частиц, появляющейся в многочисленных расширениях Стандартной модели элементарных частиц. Аксионы — это также гипотетические частицы из темного сектора, и они могут превращаться в фотоны и обратно в присутствии сильного магнитного поля.
«Радиоприемником» свой прибор авторы называют потому, что принцип его работы похож на принцип работы обычного радио - оно ловит радиоволны при помощи антенны и переводит пойманный сигнал в звук.
Ученые будут медленно перестраивать частоту своего радио, в поисках той частоты, на которой присутствует сильный сигнал темной материи. Поскольку, однако, даже в резонансе сигнал от темной материи ожидается слабым — иначе бы его уже давно засекли — то для увеличения чувствительности детектора используют специальные магнитометры, известные как сверхпроводящие квантово-интерференционные устройства (СКВИД).
В конечном итоге радио будет способно засечь частицы с массой от нескольких ТэВ до нескольких МэВ (эВ — электрон-вольт, единица в которой принято измерять массу элементарных частиц: например, масса электрона около 0,5 МэВ, а масса протона — около 1 ГэВ). Проблема в том, что для этого ему придется работать на частотах от килогерца до гигагерца — то есть в том диапазоне, который активно используется для беспроводной связи.
Одним из преимуществ разработанного устройства по сравнению с другими детекторами заключается в том, что его не надо прятать от космических лучей и зарывать на сотни метров под землю. Местом его размещения станет Стенфордский университет и SLAC.
nplus1.ru, 11 октября 2017, Николай Воронцов
https://nplus1.ru/news/2017/10/11/dark-radio
Журнал Symmetry Magazine. 2017
https://www.symmetrymagazine.org/article/a-radio-for-dark-matter
Глава 11-14-4
Жидкий гелий поможет найти легкую темную материю
Ноябрь 2017
Чтобы зарегистрировать частицы «легкой» темной материи, можно использовать испарение жидкого гелия при низких температурах. Ученые из университета Брауна предложили схему такой установки и показали, что с ее помощью можно найти вимпы с энергиями порядка одного мегаэлектронвольта. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Одним из вероятных кандидатов на роль части холодной темной материи являются вимпы (WIMP, weakly interacting massive particles) — гипотетические частицы, которые могут влиять на обычную материю только через слабое или гравитационное взаимодействия.
Обычно считается, что масса вимпов находится в диапазоне от 1010 до 1012 электронвольт. Однако частиц темной материи с такими массами до сих пор найдено не было. Поэтому были разработаны теоретические модели, из которых следует, что масса гипотетических частиц может быть меньше 10 гигаэлектронвольт, и проводятся эксперименты по поиску легких вимпов. Для этого используются электронные возбуждения полупроводников, сцинтилляции прозрачных кристаллов или тепловой отклик мишени, возникающие при взаимодействии частиц мишени и вимпов.
Авторы статьи предлагают схему эксперимента, аналогичного некоторым способам поиска нейтрино. Суть его заключается в том, что при взаимодействии вимпа или нейтрино с атомами жидкого гелия, находящегося в сверхтекучем состоянии, образуются квазичастицы — фононы и ротоны. Если температура гелия достаточно мала (меньше 0,1 Кельвина), помехами — образованием квазичастиц из-за тепловых флуктуаций можно пренебречь. Эти квазичастицы распространяются в жидкости, если их энергия меньше 0,7 миллиэлектронвольт. Наконец, когда квазичастица достигает поверхности жидкости, в результате квантового испарения (quantum evaporation) из нее вырывается атом гелия.
Затем вырванный из жидкости атом гелия ускоряется с помощью сильного электрического поля (несколько вольт на ангстрем), создаваемого острым наконечником туннельного микроскопа, а момент его попадания на наконечник регистрируется как кратковременное увеличение тока в сети, соединяющей катод и анод. По оценкам ученых, для эффективного детектирования отдельных атомов расстояние между наконечниками в одном массиве должно составлять до двадцати микрометров, а расстояние между самими массивами — до одного миллиметра.