Российские физики придумали новый способ поиска темной материи

Темная материя — это одна из самых загадочных и удивительных вещей во Вселенной. Она не излучает и не поглощает свет, поэтому мы не можем ее увидеть. Она не взаимодействует с обычной материей никак, кроме как через гравитацию. Поэтому мы можем ее заметить только по ее влиянию на другие объекты. Например, темная материя может искривлять свет от далеких звезд и галактик или увеличивать скорость вращения галактик. Ученые считают, что темная материя составляет около 80% всей материи во Вселенной и около 25% ее массы-энергии. Однако ее природа до сих пор остается неизвестной.


Чтобы попытаться раскрыть тайну темной материи, физики создают специальные детекторы, которые могут регистрировать редкие взаимодействия между частицами темной материи и обычной материей. Один из таких детекторов разработали специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Это двухфазный криогенный детектор на основе аргона. Это устройство, которое состоит из двух камер: одна заполнена жидким аргоном, а другая — газообразным. Жидкий аргон служит средой для взаимодействия с частицами темной материи, а газообразный — для регистрации светового сигнала, возникающего при этом взаимодействии.

Двухфазный криогенный детектор имеет ряд преимуществ перед другими типами детекторов. Он обладает высокой чувствительностью и разрешением, так как световой сигнал усиливается в газовой фазе за счет электролюминесценции. Это явление, при котором электроны из жидкости сталкиваются с атомами аргона в высоком электрическом поле и заставляют их светиться. Детектор также позволяет различать электронные и ядерные отдачи, то есть отсеивать фоновые события от интересующих нас событий. Кроме того, детектор легко масштабируется, то есть можно увеличивать объем рабочего вещества для повышения статистики измерений.

Однако двухфазный криогенный детектор на основе аргона имеет и свои сложности. Одна из них — необходимость использовать специальные материалы для смещения спектра излучения из ультрафиолетового диапазона в видимый. Эти материалы могут со временем терять свои свойства или отслаиваться от поверхности детектора. Поэтому российские физики предложили альтернативный способ считывания сигнала в видимом диапазоне без применения сместителей спектра. Они изучили два механизма излучения в видимом диапазоне: нейтральное тормозное излучение и лавинную сцинтилляцию.

Нейтральное тормозное излучение возникает при рассеянии электронов на нейтральных атомах аргона в газовой фазе. Это излучение имеет широкий спектр и может быть зарегистрировано в видимом диапазоне при помощи кремниевых фотоумножителей. Лавинная сцинтилляция происходит при образовании электронной лавины в сильном электрическом поле. Это излучение имеет узкий спектр и может быть зарегистрировано в ближнем инфракрасном диапазоне при помощи индиум-галлиевых-арсенидных фотодиодов.

Российские ученые продемонстрировали возможность использования этих механизмов для оптического считывания двухфазных детекторов на аргоне. Они измерили амплитудную выходность и разрешение по положению для этих техник считывания, что позволило оценить порог обнаружения частиц темной материи. Оказалось, что при использовании нейтрального тормозного излучения можно регистрировать частицы темной материи с массой выше 10 ГэВ/с2, а при использовании лавинной сцинтилляции — выше 100 ГэВ/с2.


– научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владислав Олейников.

Таким образом, российские физики предложили новый подход к поиску темной материи, который может быть применен к большим детекторам на основе аргона. Это открывает новые перспективы для решения одной из самых главных загадок современной науки.