Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-14-8
Темную материю предложили искать с помощью «снежковой камеры»

Апрель 2019

Американские физики предложили ловить легкие частицы темной материи с помощью переохлажденной воды. Чтобы доказать целесообразность такого подхода, ученые два года измеряли отклик переохлажденной воды на различные источники частиц — в результате исследователи доказали, что детектор хорошо чувствует рассеяние частиц на ядрах водорода и практически не замечает ионизирующее излучение. Ученые предложили назвать гипотетический детектор «снежковой камерой» по аналогии с пузырьковой камерой. О своей новой разработке физики сообщили на апрельской встрече Американского физического сообщества, препринт выложен на сайте arXiv.org.

В обычных условиях вода замерзает при нуле градусов по Цельсию, однако ее можно охладить до гораздо более низкой температуры. Дело в том, что сама по себе жидкость замерзнуть не может — чтобы запустить этот процесс, в ней должны быть неоднородности, с которых начнут расти ледяные кристаллы. Следовательно, если тщательно очистить воду от примесей, медленно понижать температуру и беречь ее от внешних воздействий, она будет оставаться жидкой при температурах вплоть до −48 градусов Цельсия. При еще более низких температурах равновесие в жидкости не успевает устанавливаться из-за неустранимых тепловых колебаний. Если же потрясти переохлажденную воду или бросить в нее крупинку соли, она резко начнет кристаллизоваться по всему своему объему. Более того, в результате замерзания переохлажденной воды высвобождается энергия плавления льда — следовательно, чтобы запустить переход, практически не требуется затрачивать энергию. Поэтому такую систему называют метастабильной.

Благодаря низкому энергетическому порогу метастабильные системы можно использовать в качестве детекторов частиц. Собственно, первый в истории человечества детектор, камера Вильсона, работал именно по этому принципу — только вместо переохлажденной воды в нем использовался перенасыщенный пар.

Группа физиков под руководством Мэтью Шидагиса (Matthew Szydagis) предложила идею нового детектора, основанного на кристаллизации переохлажденной жидкости. Они рассмотрели эту идею по нескольким причинам. Во-первых, молекулы воды содержат легкие молекулы водорода, которые идеально подходят для поиска частиц темной материи массой порядка одного гигаэлектронвольта. Во-вторых, в настоящее время существуют методики, с помощью которых можно быстро и дешево очистить сравнительно большие объемы воды. В-третьих, в отличие от пузырьковой камеры, кристаллизация воды не приводит к резкому изменению давления, поэтому оставшийся объем жидкости продолжает следить за столкновениями частиц. По аналогии с «туманной» и пузырьковой камерой физики предлагают назвать гипотетический детектор «снежковой камерой» (snowball camera).

Ученые считают, что детектор, построенный на основе этой технологии будет сравним с существующими детекторами на основе пузырьковой камеры. Детектор массой сто килограмм, работающий на протяжении трех месяцев, будет на два порядка превосходить рекордную чувствительность детектора DarkSide.

_{nplus1.ru, 15 апреля 2019, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2019/04/15/snowball-chamber}

_{Сайт arXiv.org. 2018}

_{Мэтью Шидагис (Matthew Szydagis)}

_{https://arxiv.org/abs/1807.09253}