Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

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.

По словам физиков, с помощью такой установки можно зарегистрировать отдельные вимпы с массой около 0,6 мегаэлектронвольт. Несмотря на то, что они не смогли оценить чувствительность, разрешающую способность по времени и энергии, а также другие важные характеристики предложенной ими схемы, авторы считают, что их идеи могут оказаться очень полезными для регистрации легких вимпов. Также ученые отмечают, что подобные детекторы для частиц темной материи можно построить на основе других сред, в которых длина пробега квазичастиц достаточно велика, чтобы мы могли регистрировать их рождение в больших объемах вещества. Все-таки частицы темной и «обычной» материи взаимодействуют очень редко.

_{nplus1.ru, 3 ноября 2017, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2017/11/03/light-DM-He}

_{Статья опубликована в Physical Review Letters.}

_{https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.181303}