На протяжении десятилетий люди пытались напрямую обнаружить темную материю: недостающую массу в нашей Вселенной. Теперь на корпусе установлен новый, сверхчувствительный детектор, и хотя он все еще находится на стадии исследований и разработок, он уже смог искать виды темной материи, до которых другие детекторы не могут добраться.

Исторически сложилось так, что большинство поисков темной материи охотилось за двумя конкретными видами темной материи: ультралегкими аксионами и более тяжелыми вимпами (слабо взаимодействующими массивными частицами). Но новый эксперимент TESSERACT ищет промежуточные между этими режимами темную материю с малой массой, которая примерно в сто или тысячу раз легче вимпов.

«Это своего рода темная материя Златовласки»,

— сказал Дэн Маккинси, директорр проекта TESSERACT и научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США, которая руководит экспериментом. «Есть это непроверенное окно, которое дает нам возможность для открытий. Наш детектор обладает чувствительностью, даже на этой ранней стадии, которая позволяет нам искать кандидатов на темную материю, которых никто раньше не мог искать».

В коллаборацию TESSERACT (Transition-Edge Sensors with Sub-EV Resolution And Cryogenic Targets) также входят исследователи из Аргоннской национальной лаборатории, Калифорнийского технологического института, Университета штата Флорида, IJCLab (Laboratoire de Physique des 2 Infinis Iréne Joliot-Curie), IP2I (Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon), LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie), Техасского университета A&M, Калифорнийского университета в Беркли, Массачусетского университета в Амхерсте, Цюрихским университетом и QUP (Международный центр квантовых систем измерения полей для изучения Вселенной и частиц).

В статье, опубликованной сегодня в онлайн-репозитории arXiv, исследователи TESSERACT представили свои первые результаты работы темной материи, не обнаружив никаких доказательств существования темной материи с малой массой между массами 44 МэВ/c² и 87 МэВ/c² (где МэВ — это миллионы электронвольт). Для сравнения, масса протона составляет чуть меньше 1000 МэВ/с², а самые последние результаты LZ, лучшего в мире эксперимента WIMP, искали темную материю с энергией до 9000 МэВ/c². Это первый случай, когда в эксперименте искали сигналы ядерной отдачи от темной материи с массой менее 87 МэВ/c².

Если бы исследователи обнаружили темную материю в этой новой области, им потребовалось бы новое объяснение того, как она взаимодействует. Например, в то время как вимпы взаимодействуют через слабое взаимодействие, темная материя с малой массой может указывать на неоткрытую пятую фундаментальную силу.

В то время как во многих передовых экспериментах с темной материей используются огромные объемы материала детектора или гигантских магнитов, мощность TESSERACT зависит не от его размера, а от его чувствительности. Новые ведущие в мире результаты были получены благодаря тщательно оборудованным и экранированным кремниевым чипам, размер которых составляет один квадратный сантиметр, что составляет примерно четверть размера почтовой марки. Эти детекторы были разработаны в Калифорнийском университете в Беркли и изготовлены в Техасском университете A&M.

TESSERACT использует датчики с переходным краем, тип сверхпроводящего детектора, который работает при температуре около 8 милликельвинов (почти минус 460 градусов по Фаренгейту). Добавление даже незначительного количества тепла — скажем, от легкой частицы темной материи, врезающейся в чип и выделяющей некоторое количество энергии — может привести к срабатыванию датчика.

«Мы работали над тем, чтобы сделать датчики очень стабильными и высокоточными при очень низких температурах», — сказал Ветри Велан, научный сотрудник Чемберлена в лаборатории Беркли и соруководитель анализа. «Чем ниже температура перехода датчика, тем лучше шумовые характеристики и тем лучше чувствительность к темной материи. Так что все дело в том, насколько чувствительными мы можем сделать эти датчики».

Исследователи проводят исследования и разработки с 2020 года, чтобы повысить чувствительность и уменьшить (или учесть) потенциальные источники шума, которые могут скрывать сигнал темной материи. Это включает в себя поиск правильного рецепта для производства датчиков и снижение фоновой вибрации и электромагнитных помех в холодильнике для разбавления, в котором находится кремниевый чип. Небольшой размер детектора также является преимуществом; Меньше области — меньше фоновых взаимодействий.

TESSERACT решает проблему, общую для чувствительных детекторов: постоянный, но необъяснимый источник избыточного шума при низких энергиях, в той же области, где может скрываться темная материя. Подход эксперимента к изготовлению и экранированию детекторов снизил этот фоновый показатель в 30 раз.

«Устройства, которые мы используем, настолько тихие по сравнению практически с любым другим устройством, которое когда-либо использовалось», — сказал Майкл Уильямс, научный сотрудник Чемберлена в Беркеeley Lab и соруководитель анализа. «И существует действительно большое совпадение между работой, которую мы проводим над этими устройствами, и другими квантовыми материаловедениями. По мере того, как мы совершенствуем эти датчики для себя, мы можем использовать ту же технологию для создания более совершенных кубитов и квантовых компьютеров».

Эксперимент, призванный изменить мир к лучшему

Большинство экспериментов с темной материей проводятся глубоко под землей с использованием тысяч футов породы, чтобы помочь блокировать частицы из космоса, которые могут взаимодействовать в детекторе. С помощью этого первого прототипа детектора TESSERACT уже исследовал новые пространства для темной материи с поверхности, по сути, Земли: подвал Birge Hall в Калифорнийском университете в Беркли (недалеко от места проведения эксперимента Джона Клаузера, удостоенного Нобелевской премии, по запутанности фотонов, который подготовил почву для нашей нынешней квантовой революции).

Но чтобы еще больше повысить чувствительность детекторов, исследователи планируют провести полный эксперимент под 1700 метрами (5600 футов) скальной породы в самой глубокой подземной лаборатории в Европе: французской подземной лаборатории Модан. Строительство планируется начать в 2025 году, а эксперимент начнется примерно в 2029 году и будет направлен на поиск темной материи с массами всего 10 МэВ/c². Эксперимент вырастет с его нынешней площади, примерно такой же большой, как телефонная будка, до шестифутового куба.

Сердцем TESSERACT являются датчики с переходным краем, но исследователи также разрабатывают дополнительные детекторные модули, которые повышают шансы на обнаружение темной материи: HeRALD и SPICE. HeRALD (Helium Roton Apparatus for Light Dark Matter) станет первым случаем, когда в эксперименте с темной материей будет использован сверхтекучий гелий, и кремниевые чипы TESSERACT будут использоваться в качестве датчиков детектора. SPICE (Sub-ev Polar Interactions Cryogenic Experiment) будет использовать монокристаллы сапфира и арсенида галлия. А научные коллективы во Франции предоставят сенсор из кремния и германия. Различные модули предоставят исследователям уникальные способы поиска темной материи и проверки различных теорий.

Экранирование, которое будет окружать эксперимент, спроектировано таким образом, чтобы его можно было разобрать, что позволит исследователям легко получить доступ к компонентам TESSERACT и переключить его в течение нескольких дней. Если HeRALD увидит интригующие признаки темной материи, ученые могут переключиться на SPICE и перепроверить результат (или наоборот). В отличие от этого, многие продвинутые эксперименты с темной материей построены как корабль в бутылке; Им потребовались бы месяцы или годы, чтобы открыть и поменять компоненты местами, если это вообще можно было бы сделать.

В настоящее время исследователи продолжают разработку HeRALD и SPICE, а также тестируют новые производственные процессы для дальнейшего совершенствования датчиков переходной кромки. «Чтобы довести TESSERACT до желаемой чувствительности, эти детекторы должны стать еще лучше, даже несмотря на то, что они уже являются лучшими в мире», — сказал Уильямс.

Усовершенствованные детекторы и подземный дом позволят эксперименту искать частицы с меньшей массой и увеличат вероятность обнаружения ультраредких взаимодействий темной материи с обычной материей.

«Этот результат является первым признаком того, что мы можем открыть этот новый режим темной материи с малой массой для экспериментальных испытаний», — сказали в McKinsey. «Это очень весело — проводить небольшой эксперимент в подвале, который может проверить новые идеи для темной материи. На самом деле это только первый залп для TESSERACT. Мы ожидаем, что в течение следующего десятилетия будет еще много результатов».

###

Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) занимается новаторскими исследованиями, направленными на научные открытия и решения для обильного и надежного энергоснабжения. Лаборатория специализируется на материаловедении, химии, физике, биологии, науках о Земле и окружающей среде, математике и вычислительной технике. Исследователи со всего мира полагаются на научное оборудование мирового класса лаборатории для проведения собственных новаторских исследований. Основанная в 1931 году на убеждении, что самые большие проблемы лучше всего решаются командами, Лаборатория Беркли и ее ученые были удостоены 16 Нобелевских премий. Лаборатория Беркли — это многопрофильная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, посетите energy.gov/science.