Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-12-9
Физики предложили схему универсального алмазного детектора темной материи

_{Июнь 2019}

Физики из США и Израиля 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. Из расчетов ученых следует, что чувствительность детектора превышает чувствительность существующих аналогов во всех трех диапазонах. Статья опубликована в Physical Review D, препринт выложен на сайте arXiv.org.

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 перестраивают эксперименты на другие, менее ожидаемые диапазоны масс. Ученым сложно поверить в то, что материя, пусть и темная, может быть сделана не из частиц.

Поддерживая эту тенденцию, группа ученых под руководством Бласа Кабрера (Blas Cabrera) также 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.

Авторы статьи утверждают, что в настоящий момент они уже работают над реальным прототипом детектора — массивами QET-сенсоров, лежащих в основе первого метода детектирования. Единственная проблема, которая может помешать сравниться с другими крупными экспериментами по поиску темной материи (XENON, CDMS, PandaX и так далее) — это высокая стоимость чистых кристаллов, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы. Тем не менее, ученые отмечают, что стоимость изготовления таких кристаллов с каждым годом уменьшается. В частности, уже сейчас килограмм CVD-алмазов можно купить по цене, сравнимой со стоимостью ксенона.

_{nplus1.ru, 17 июня 2019, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2019/06/17/dark-diamonds}

_{Журнал Physical Review D, 2019}

_{https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.99.123005}

_{https://arxiv.org/abs/1901.07569}