Усовершенствованный детектор фотонов ищет «легкую» темную материю

Используя усовершенствованный сверхпроводящий нанопроволочный однофотонный детектор (SNSPD), исследователи ищут очень легкую темную материю. Автор: UZH

Считается, что около 80% массы Вселенной состоит из темной материи. Однако о составе и структуре частиц, составляющих темную материю, известно мало, что ставит перед физиками фундаментальные вопросы. Чтобы исследовать эту неуловимую материю, исследователи пытаются захватить фотоны или частицы света, которые образуются при столкновении частиц темной материи с видимой материей, знакомой нам.

Большинство экспериментов на сегодняшний день были сосредоточены на частицах темной материи с массами, более или менее пересекающимися с массами известных элементарных частиц. Однако если частицы легче электрона, маловероятно, что их можно обнаружить с помощью текущего стандарта, а именно детекторов на основе жидкого ксенона. До сих пор ни одному эксперименту не удалось непосредственно обнаружить темную материю. Но это само по себе является важным открытием, поскольку показывает, что частицы темной материи не существуют в пределах проверенного диапазона масс и силы взаимодействия.

Новое устройство чувствительно к событиям с меньшей энергией

Международная группа под руководством Лауры Бодис, Титуса Нойперта, Бьёрна Пеннинга и Андреаса Шиллинга из физического факультета Цюрихского университета (UZH) смогла исследовать существование частиц темной материи в широком диапазоне масс ниже одного мегаэлектронвольта (МэВ). Используя усовершенствованный сверхпроводящий нанопроволочный однофотонный детектор (SNSPD), исследователи достигли порога чувствительности около одной десятой массы электрона, выше которого частицы темной материи вряд ли существуют.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«Это первый раз, когда мы смогли искать частицы темной материи в таком низком диапазоне масс, что стало возможным благодаря новой технологии детекторов», — говорит первый автор Бодис.

В доказательстве концепции 2022 года исследователи протестировали первое устройство SNSPD, обладающее высокой чувствительностью к фотонам с более низкой энергией. Когда фотон попадает в нанопроволоку, он слегка нагревает ее и вызывает мгновенную потерю сверхпроводимости. Проволока на короткое время становится обычным проводником, и результирующее увеличение электрического сопротивления можно измерить.

Обнаружение самых маленьких частиц темной материи

Для своего последнего эксперимента ученые UZH оптимизировали свой SNSPD для обнаружения темной материи. В частности, они оснастили его сверхпроводящими микропроводами вместо нанопроводов, чтобы максимизировать его поперечное сечение. Они также придали ему тонкую планарную геометрию, что делает его высокочувствительным к изменениям направления. Ученые предполагают, что Земля проходит через «ветер» частиц темной материи, и направление частицы, следовательно, меняется в течение года в зависимости от относительной скорости. Устройство, способное улавливать изменения направления, может помочь отфильтровать события, не связанные с темной материей.

«Дальнейшие технологические улучшения SNSPD могут позволить нам обнаруживать сигналы от частиц темной материи с еще меньшими массами. Мы также хотим разместить систему под землей, где она будет лучше защищена от других источников излучения», — говорит Титус Нойперт. Ниже диапазона масс электрона текущие модели описания темной материи сталкиваются со значительными астрофизическими и космологическими ограничениями.

Больше информации: Laura Baudis et al, First Sub-MeV Dark Matter Search with the QROCODILE Experiment Using Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/4hb6-f6jl

Источник: University of Zurich