Эксперимент QROCODILE: новый подход к поиску тёмной материи с помощью сверхпроводящих нанопроводов

Эксперимент QROCODILE. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/4hb6-f6jl

Международная группа исследователей из Цюрихского университета, Еврейского университета в Иерусалиме и Массачусетского технологического института (MIT) представила новый перспективный подход к поиску тёмной материи с помощью сверхпроводящих нанопроводных однофотонных детекторов (SNSPD). Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Эксперимент QROCODILE (Quantum Resolution-Optimized Cryogenic Observatory for Dark matter Incident at Low Energy) использует детекторы из тонких вольфрамо-силицидных (WSi) микропроводов, охлаждённых до температуры всего 0,1 градуса выше абсолютного нуля. В этом сверхпроводящем состоянии электроны образуют куперовские пары.

Изображение SNSPD. Автор: коллаборация QROCODILE.

Даже небольшое количество энергии, например, от частицы тёмной материи, разрушает куперовские пары в нанопроводах, создавая крошечное резистивное «горячее пятно». Это возмущение, в свою очередь, производит измеримый электрический импульс.

«Разрыв куперовской пары требует в тысячи раз меньше энергии, чем процессы ионизации или сцинтилляции, используемые в традиционных детекторах. В результате наши сенсоры могут обнаруживать энерговыделения всего от 0,1 эВ», — пояснили участники проекта Лаура Бодис и Андреас Шиллинг.

Это позволяет исследовать частицы тёмной материи с массами вплоть до десятков кэВ, что значительно легче, чем могут обнаружить другие эксперименты прямого поиска.

Детектор QROCODILE ещё находится на стадии проверки концепции, но первые тесты уже показали обнадёживающие результаты. Установлен очень низкий энергетический порог для детектора тёмной материи (0,11 эВ) и получены новые ведущие ограничения на рассеяние тёмной материи на электронах для масс до 30 кэВ.

Особенно важно, что геометрия сенсора естественным образом обеспечивает направленную чувствительность: детектор по-разному реагирует в зависимости от направления прихода частицы. Это мощная особенность, поскольку истинный сигнал тёмной материи должен совпадать с движением Земли через Млечный Путь, а фоновые сигналы (например, от радиоактивности) — нет.

В будущем исследователи планируют улучшить детектор, увеличив эффективную массу мишени, ещё больше снизив энергетический порог и охарактеризовав фоновые сигналы на низких энергиях. Ключевым шагом станет перемещение эксперимента под землю в лабораторию Гран-Сассо в Италии, где защита от космических лучей позволит снизить фон.