Поиск частиц темной материи с массой меньше 1 ГэВ — задача исключительной технической сложности. Ни один из существующих сейчас детекторов к таким частицам нечувствителен. В статье американских теоретиков предлагается идея нового сверхпроводящего детектора, который позволит почувствовать частицы темной материи с массами в мегаэлектронвольтном и даже килоэлектронвольтном диапазонах, расширяя тем самым область поисков на 4–5 порядков.
Рис. 1. Сверхчувствительные датчики энергии,
наподобие показанного здесь
сверхпроводящего микроскопического болометра,
вкупе со сверхпроводником
большого объема могут привести
к прорыву в задаче поиска легких частиц
темной материи.
Изображение с сайта laserfocusworld.com
Трудности поиска частиц темной материи
Поиск частиц темной материи — занятие неблагодарное. Вы можете предложить блестящую экспериментальную идею, поставить новый сверхточный эксперимент, но если частиц темной с ожидаемыми свойствами в природе нет, то и эксперимент покажет нулевой результат. Коллеги выскажут восхищение вашей смекалкой, похлопают вас по плечу, но затем пойдут искать темную материю дальше.
Причина такой ситуации в том, что физикам известны о темной материи лишь самые общие сведения. Известно, сколько ее во Вселенной, как примерно она распределена и более-менее с какой скоростью движутся частицы темной материи (в окрестности солнечной системы — порядка одной тысячной скорости света). Однако совершенно неизвестны ни массы частиц темной материи, ни характер их взаимодействия друг с другом и с обычным веществом. Остается открытым даже вопрос, абсолютно ли стабильны эти частицы или же они просто живут очень долго, сравнимо с возрастом Вселенной.
В зависимости от масс и характера взаимодействия искать частицы темной материи можно разными методами, но общая схема такая. Поток частиц темной материи «дует» сквозь Землю, но из-за мизерной вероятности их взаимодействия с обычным веществом этот поток мы не замечаем. Лишь очень редко какая-то частица темной материи сталкивается с атомом, передавая ему долю своей кинетической энергии (рис. 2). Для экспериментатора это выглядит так: в покоящемся детекторе, где-то в глубине объема, один из атомов вдруг дернулся, словно по нему нанесли точечный удар. Энергия этого рывка небольшая, но если детектор достаточно чувствительный, а шумы отсутствуют, он сможет зарегистрировать такое событие.
Рис. 2. Частицы темной материи, пронзая детектор насквозь, изредка сталкиваются
с ядрами рабочего вещества и передают им часть своей энергии.
Детектор регистрирует энерговыделение и тем самым фиксирует событие.
Рисунок из задачи Детектор частиц темной материи
Проблема в том, что экспериментаторы заранее не знают ни сколько энергии выделяется в одном таком событии, ни как часто они должны происходить, ни с каким именно веществом лучше всего взаимодействуют частицы темной материи. Поэтому физики проводят все эксперименты, которые им удается поставить, стараясь покрыть как можно большую область на плоскости двух ключевых параметров — массы частиц темной материи и сечения их рассеяния с обычным веществом (см. подробный рассказ в новости Эксперимент LUX пока не обнаружил частицы темной материи, «Элементы», 31.10.2013). На рис. 3 показано нынешнее состояние дел. Видно, что лучше всего детекторы чувствовали бы частицы темной материи с массой в десятки ГэВ. Для более легких частиц, особенно в области ниже нескольких ГэВ, чувствительность детектора резко падает. Сама эта зависимость была подробно разобрана в задаче Детектор частиц темной материи, а здесь, в свете дальнейшего разговора, полезно разобраться в том, откуда берется такой предел — несколько ГэВ.
Рис. 3. Нынешние ограничения на массу и сечение рассеяния частиц темной материи,
полученные в различных экспериментах. Закрытыми являются области выше
разноцветных кривых. Некоторые эксперименты, впрочем, дают положительные результаты;
они показаны светлыми овалами. Области неправильный формы в нижней части графика
— предсказания разных теоретических моделей. График из обзора по физике элементарных частиц
K. A. Olive et al. (Particle Data Group), 2014. Dark Matter
Энерговыделение в детекторе
Этот предел определяется простой механикой столкновения, а также чувствительностью датчиков энерговыделения. Взгляните на рис. 4. Частица темной материи с массой, скажем, mX = 10 ГэВ и скоростью 1/1000 от скорости света обладает кинетической энергией 5 кэВ. Сталкиваясь с ядром, она передает ему небольшую долю этой энергии, особенно если ядро тяжелое (светло-красные стрелки). В детекторе в результате выделяется энергия ED порядка 1 кэВ, и этого хватает для ионизации около сотни атомов и регистрации события (см. подробности технологии на примере детектора CoGeNT в новости Новые данные эксперимента CoGeNT по-прежнему указывают на регистрацию частиц темной материи, «Элементы», 24.01.2014). Если взять частицу темной материи в десять раз легче, mX = 1 ГэВ, то вызванное ею энерговыделение при столкновении с ядром уменьшится примерно в сто раз, до нескольких эВ. Обычным детектором такие частицы уже не поймаешь — слишком слаба ионизация. Впрочем, если использовать полупроводниковые датчики, то есть шанс добраться и до этой области. Такие детекторы частиц темной материи уже обсуждаются (см.: R. Essig, J. Mardon, T. Volansky, 2011. Direct Detection of Sub-GeV Dark Matter), но до реального эксперимента дело пока не дошло.
Рис. 4. Соответствие между шкалами масс частиц темной материи,
их типичных кинетических энергий и энерговыделением в детекторе,
возникающем при столкновении с ядрами (красные стрелки) или с электронами (зеленые стрелки).
Разные технологии детектирования позволяют почувствовать частицы темной материи разных масс
При дальнейшем уменьшении mX энерговыделение ED становится совсем мизерным. Ситуацию тут может спасти лишь предположение, что темная материя может сталкиваться не только с ядрами, но и с электронами (темно-зеленые стрелки на рис. 4). Масса электрона — половина МэВ, поэтому частицы темной материи МэВного диапазона вполне могут породить энерговыделение несколько эВ. Однако ниже этого порога энерговыделение начинает резко падать даже при столкновении с электронами. Например, при массе mX = 10 кэВ — а такие частицы вполне возможны, они не противоречат никаким наблюдениям — ED будет составлять сущие миллиэлектронвольты (мэВ). Этой энергии не хватит даже для ионизации одиночного атома. Более того, при комнатной температуре это однократное энерговыделение попросту потонет в тепловых движениях атомов, энергия которых составляет десятки мэВ. И если с тепловым шумом еще можно справиться, охладив рабочее вещество до сверхнизких температур, то зарегистрировать миллиэлектронвольтное энерговыделение — задача архисложная.
Новая идея
В этой ситуации настоящим спасением выглядит новая идея, предложенная в недавней статье Superconducting Detectors for Super Light Dark Matter. Ее авторы обращают внимание на то, что миллиэлектронвольты — это масштаб энергий, характерный для электронов в низкотемпературных сверхпроводниках. В сверхпроводящем состоянии свободные электроны объединены в куперовские пары и движутся синхронно, хотя и находятся на значительном расстоянии друг от друга. Именно поэтому их свободному движению (то есть электрическому току) не мешают препятствия или иные воздействия — до тех пор, пока они куперовскую пару не разрушают. Типичная энергия связи куперовской пары и составляет миллиэлектронвольты.
Авторы предлагают использовать это свойство сверхпроводников следующим образом. Легкая частица темной материи сталкивается с одним из электронов в рабочем объеме детектора, в сверхпроводнике, и разрушает куперовскую пару. Два освободившихся электрона либо рекомбинируют снова в пару, и тогда в сверхпроводнике выделяется нетепловой фонон, либо пускаются в свободное блуждание по материалу. В обоих случаях получается достаточно долгоживущее возбуждение, которое может достичь сверхчувствительного датчика и вызвать его срабатывание. Такие датчики уже существуют, но они очень маленькие, а для охоты за темной материей требуются большие объемы. Однако их можно объединить в тандем: частицы улавливаются сверхпроводником большого объема, а регистрируют последствия столкновения сверхпроводящие датчики, установленные по краям.
Авторы оценили ожидаемый темп регистрации для частиц темной материи разных масс и разных сечений рассеяния, и продемонстрировали новые возможности, которые откроет новый класс детекторов. На рис. 5 показаны типичные ограничения на плоскости масса—сечение, которые станут доступны описанной методике после экспозиции в один килограмм-год. Видно, что по своей чувствительности она на несколько порядков превосходит возможности даже полупроводниковых детекторов, которые еще толком не разработаны, не говоря уже об обычных детекторах темной материи.
Рис. 5. Ожидаемые ограничения на плоскости масс и сечений легких частиц темной материи.
Разные цветные кривые показывают максимальное сечение для частиц темной материи
разной массы (горизонтальная шкала) и для частиц — переносчиков взаимодействия (разные цвета),
которое еще не противоречит всем имеющимся данным. Черные кривые — области параметров,
которые сможет проверить сверхпроводящий детектор с порогом 10 мэВ или 1 мэВ.
Серая кривая — ожидаемое ограничение, которое будет доступно полупроводниковому
детектору на основе германия. Изображение из обсуждаемой статьи
В этой схеме, конечно, есть немало тонкостей. Некоторые из них авторы уже аккуратно учли, другие — только обрисовали в общих чертах, а детальную проработку оставили на потом. Упомянем только некоторые моменты, за счет которых этот тип экспериментов отличается от обычных поисков темной материи.
- В обычном детекторе атом чувствует отдачу от столкновения с частицей темной материи, отлетает вбок и ничто этому эффекту не мешает. В металле свободных электронов очень много и они мешают друг другу за счет принципа Паули. Это дополнительно затрудняет рассеяние частиц темной материи на электронах, и при расчете эффекта эту блокировку необходимо учесть.
- Традиционные детекторы, рассчитанные на энерговыделение порядка кэВ и выше, должны среагировать на каждое столкновение частиц темной материи с веществом. В предложенном эксперименте такую поштучную регистрацию событий сделать не получится — уж слишком слаб сигнал от каждого столкновения. Но поскольку фононы или свободные электроны живут долго, можно накопить их от нескольких столкновений и зарегистрировать уже этот суммарный отклик. Такая концентрация слабого сигнала — одна из ключевых особенностей предложенного метода.
- В обычном эксперименте скорость движения ядра намного меньше скорости налетающей частицы темной материи. Это усложняет расчет эффекта, поскольку мы не слишком хорошо знаем распределение частиц темной материи по скоростям. В эксперименте со сверхпроводниками, где частицы темной материи сталкиваются с электронами, скорость электронов уже значительно больше скорости «встречного ветра» темной материи. Поэтому распределение темной материи по скоростям (которое плохо известно) оказывается несущественным.
Авторы позиционируют свое предложение как потенциальный прорыв в задаче прямого поиска частиц темной материи. Они, впрочем, признают, что впереди лежит долгий и трудный путь от первоначальной концепции до работающего прототипа. Однако они надеются, что сам факт принципиальной доступности кэВного диапазона масс для экспериментальной проверки послужит хорошим стимулом для развития описанной технологии.
Источник: Yonit Hochberg, Yue Zhao, Kathryn M. Zurek. Superconducting Detectors for Super Light Dark Matter // е-принт arXiv:1504.07237 [hep-ph], 27 Apr 2015.
