За последние десятилетия многие исследовательские группы по всему миру пытались обнаружить тёмную материю — неуловимый вид материи, который не излучает, не отражает и не поглощает свет, используя различные высокочувствительные детекторы. В конечном счёте эти детекторы должны быть способны улавливать очень слабые сигналы, которые указывали бы на присутствие тёмной материи или её слабое взаимодействие с обычной материей.
Эксперимент QROCODILE (Quantum Resolution-Optimized Cryogenic Observatory for Dark matter Incident at Low Energy) — это исследовательский проект учёных из Цюрихского университета, Еврейского университета в Иерусалиме и Массачусетского технологического института (MIT). Недавно они представили перспективный подход к поиску тёмной материи. В недавней статье, опубликованной в журнале «Physical Review Letters», они продемонстрировали потенциал этого метода и высокую чувствительность детектора, на котором он основан.
Идея эксперимента QROCODILE
Идея эксперимента QROCODILE сформировалась несколько лет назад, когда коллега и эксперт по сверхпроводящим нанопроволокам Илья Чараев перешёл из MIT в Цюрих, присоединившись к группе Андреаса Шиллинга. Лаура Баудиз и Андреас Шиллинг, которые участвуют в коллаборации QROCODILE, рассказали Phys.org:
«Илья уже сотрудничал с нашими коллегами-теоретиками, Йонитом Хохбергом и Беном Леманном, над ранними предложениями по использованию сверхпроводящих датчиков для обнаружения лёгкой тёмной материи. Основываясь на их новаторской работе и вместе с физиками-конденсаторами из нашего отдела, мы приступили к разработке нового эксперимента, основанного на сверхпроводящих нанопроволочных однофотонных детекторах (SNSPD)».
Основная цель эксперимента QROCODILE — разработать усовершенствованный SNSPD — детектор, изготовленный из сверхпроводящих нанопроволок, который действует одновременно как целевой материал (то есть материал, с которым сталкивается тёмная материя) и как датчик для улавливания энергии, возникающей в результате столкновений. Одновременно Баудиз, Шиллинг и их коллеги хотели изучить происхождение частоты событий, которую они могли наблюдать с помощью своего детектора, составляющей примерно одно событие в день, которая может быть связана с космическими лучами, естественной радиоактивностью или другими эффектами.
Принцип работы SNSPD
QROCODILE использует SNSPD, которые обычно используются в квантовой оптике, в качестве чрезвычайно чувствительных датчиков тёмной материи. Эти устройства изготовлены из тонких микропроводов из дисилицида вольфрама (WSi), охлаждённых до температуры всего на 0,1 градуса выше абсолютного нуля. В этом сверхпроводящем состоянии электроны образуют пары, называемые куперовскими парами.
Если даже небольшое количество энергии, например, энергия, возникающая от частицы тёмной материи, разрушает куперовские пары в нанопроволоках, создаётся крошечная резистивная «горячая точка». Это возмущение, в свою очередь, создаёт измеримый электрический импульс.
«Что делает этот подход мощным, так это то, что для разрушения куперовской пары требуется в тысячи раз меньше энергии, чем в процессах ионизации или сцинтилляции, используемых в традиционных детекторах», — сказали Баудиз и Шиллинг. «В результате наши датчики могут обнаруживать энергетические отложения на уровне 0,1 эВ, что позволяет нам исследовать частицы тёмной материи с массой до десятков кэВ, что намного легче, чем то, что в настоящее время доступно в других экспериментах по непосредственному обнаружению».
Эксперимент QROCODILE всё ещё находится на стадии проверки принципа работы и ещё не использовался для поиска тёмной материи в течение длительных периодов времени. Тем не менее результаты первого тестового запуска команды были весьма многообещающими, поскольку SNSPD достиг очень низкого энергетического порога для детектора тёмной материи (0,11 эВ) и установил новые ведущие ограничения на рассеяние тёмной материи на электронах вплоть до масс в 30 кэВ.
«Мы также показали, что одно и то же устройство чувствительно к взаимодействиям как с электронами, так и с ядрами, благодаря фононной связи в материале», — сказали Баудиз и Шиллинг. «Возможно, наиболее интересным является то, что геометрия нашего датчика естественным образом обеспечивает направленную чувствительность: детектор реагирует по-разному в зависимости от направления входящей частицы».
Это мощная функция, потому что истинный сигнал тёмной материи должен соответствовать движению Земли в Млечном Пути, в то время как фоновые сигналы, такие как радиоактивность, — нет. Исследователи считают, что установление направленной чувствительности в этих энергетических масштабах является уникальным и многообещающим шагом на пути к будущему однозначному обнаружению тёмной материи.
В будущем эксперимент QROCODILE и новый детектор, на котором он основан, могут внести свой вклад в текущие усилия, направленные на наблюдение сигналов, связанных с тёмной материей, и раскрытие её истинной природы. Исследователи работают над улучшением своего детектора, увеличивая эффективную массу целевого материала, дополнительно снижая его энергетический порог и характеризуя фоновые сигналы на этих низких энергиях.
«Для этого мы планируем создать датчики большей площади и отрегулировать состав материала для оптимальной производительности, а также провести специальные низкоэнергетические калибровки, например, с помощью внутреннего источника 55Fe», — добавили Баудиз и Шиллинг.
«Важным шагом будет перемещение под землю в лабораторию Гран-Сассо в Италии, где экранирование от космических лучей, как ожидается, снизит фоновый шум. Мы уже сотрудничаем с местной группой, эксплуатирующей там криостат с низким фоном, и подготовка к нашему первому подземному физическому запуску уже ведётся».
Баудиз, Шиллинг и их коллеги надеются, что улучшения, над которыми они работают, позволят ещё больше расширить возможности эксперимента QROCODILE. Это, в свою очередь, может позволить им исследовать области пространства параметров лёгкой тёмной материи, которые ещё не были изучены.
© 2025 Science X Network