ШАХТЕРСКИЙ детектор, который используется для поиска нейтрино низкой энергии на техасском реакторе A&M TRIGA. Этот сапфировый детектор может быть использован как для поиска темной материи, так и для обнаружения реакторных нейтрино, которые могут не только предоставить доказательства новой физики, но и способствовать ядерному нераспространению. Автор: Техасский университет A&M.
Ученые многое узнали о Вселенной, но эти знания представляют собой лишь малую часть полной картины. Примерно 95% космоса состоит из темной материи и темной энергии, и только 5% остается в виде привычной материи, которую мы видим вокруг себя. Доктор Рупак Махапатра, физик-экспериментатор в области элементарных частиц из Техасского университета A&M, работает над выявлением этого скрытого большинства, разрабатывая усовершенствованные полупроводниковые детекторы, оснащенные криогенным квантовые датчики. Эти технологии поддерживают эксперименты по всему миру и помогают исследователям глубже проникнуть в одну из величайших тайн науки.
Махапатра сравнивает ограниченное понимание Вселенной человечеством — или его отсутствие — с известной притчей. «Это все равно, что пытаться описать слона, просто прикоснувшись к его хвосту. Мы ощущаем нечто массивное и сложное, но улавливаем лишь малую его часть».
Недавно результаты работы Махапатры и его соавторов были опубликованы в авторитетном журнале Applied Physics Letters.
Что такое Темная материя и Темная энергия?
Темная материя и темная энергия названы так из-за того, что ученые еще не знают о них. Темная материя составляет большую часть массы галактик и скоплений галактик, играя важную роль в формировании их структуры на огромных космических расстояниях. Темная энергия — это сила, стоящая за ускоряющимся расширением Вселенной. Проще говоря, темная материя действует как космический клей, в то время как темная энергия заставляет само пространство расширяться все быстрее и быстрее.
Хотя и то, и другое в изобилии, ни темная материя, ни темная энергия не излучают, не поглощают и не отражают свет, что чрезвычайно затрудняет прямое наблюдение. Вместо этого ученые изучают их влияние через гравитацию, которая влияет на движение галактик и формирование крупномасштабных структур. Темная энергия является доминирующим компонентом, на долю которого приходится около 68% всей энергии Вселенной, в то время как доля темной материи составляет примерно 27%.
Обнаружение шепота во время урагана
Исследовательская группа компании Texas A&M под руководством Махапатры разрабатывает детекторы с исключительной чувствительностью. Эти приборы предназначены для обнаружения частиц, которые взаимодействуют с обычной материей лишь в редких случаях, и эти взаимодействия могут дать важные сведения о природе темной материи.
«Проблема в том, что темная материя взаимодействует настолько слабо, что нам нужны детекторы, способные улавливать события, которые могут происходить раз в год или даже раз в десятилетие», — сказал Махапатра.
Его команда сыграла важную роль в ведущем глобальном исследовании темной материи с использованием детектора, известного как TESSERACT. «Речь идет об инновациях», — сказал он. «Мы находим способы усиления сигналов, которые ранее были скрыты за шумом».
Texas A&M входит в небольшую группу учреждений, участвующих в экспериментах с ТЕССЕРАКТОМ.
Расширяя границы обнаружения.
Нынешние усилия Mahapatra основаны на многолетнем опыте в области совершенствования методов обнаружения частиц. В течение последних 25 лет он принимал участие в эксперименте SuperCDMS, в рамках которого проводились одни из самых сложных исследований темной материи в мире. В знаковой статье 2014 года, опубликованной в журнале Physical Review Letters, Махапатра и его коллеги представили калориметрическое обнаружение ионизации с помощью напряжения в эксперименте SuperCDMS — прорыв, который позволил изучить маломассивные WIMP, ведущего кандидата в темную материю. Это достижение значительно улучшило способность ученых обнаруживать частицы, которые ранее были недоступны.
В 2022 году Махапатра стал соавтором другого исследования, в котором рассматривались различные подходы к обнаружению WIMP, включая прямое обнаружение, косвенное обнаружение и поиск с помощью коллайдера. В работе подчеркивается важность сочетания различных стратегий для решения проблемы темной материи.
«Ни один эксперимент не даст нам ответов на все вопросы», — отмечает Махапатра. «Нам нужна синергия между различными методами, чтобы собрать воедино полную картину».
Понимание темной материи выходит далеко за рамки академического любопытства. Это может раскрыть фундаментальные принципы, которые управляют самой Вселенной. «Если мы сможем обнаружить темную материю, мы откроем новую главу в физике», — сказал Махапатра. «Для поиска необходимы чрезвычайно чувствительные сенсорные технологии, и это может привести к появлению технологий, которые мы сегодня даже не можем себе представить».
Что такое ВИМПы?
Вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы) считаются одним из наиболее перспективных вариантов изучения темной материи. Эти гипотетические частицы взаимодействуют посредством гравитации и слабого ядерного взаимодействия, что объясняет, почему их так трудно обнаружить.
- Почему они имеют значение: Если WIMP существуют, они могли бы объяснить недостающую массу Вселенной.
- Как мы проводим поиск: В экспериментах, таких как SuperCDMS и TESSERACT, используются сверхчувствительные детекторы, охлажденные почти до абсолютного нуля, чтобы улавливать редкие взаимодействия между WIMP и обычной материей.
- Проблема в том, что WIMP может пролететь сквозь Землю, не оставив никаких следов, а это означает, что исследователям могут потребоваться годы сбора данных, чтобы идентифицировать хотя бы одно событие.