Лента TH Новости Глобальные вызовы


Может ли сверхтекучий гелиевый детектор помочь нам найти темную материю?

∴ 125

Хотя она является всем, что нас окружает, но на самом деле, обычная материя это лишь 15 процентов массы Вселенной. Другие 85 процентов, как полагают ученые, это темная материя.

924

Темная материя – теоретическое вещество, которое не взаимодействует с обычной материей, и которое до сих пор не удается обнаружить.

Теперь физики из Университета Брауна предложили новый способ найти темную материю, используя огромную ванну гелия в сверхтекучем состоянии.

Темная материя не взаимодействует с электромагнитной силой, то есть она не поглощает, не отражает или не излучает свет. Поэтому, если мы не можем видеть, слышать, обонять или иным образом обнаруживать темную материю, естественно спросить: откуда мы знаем, что она вообще есть? Ее присутствие ощущается благодаря гравитационным эффектам, и математически выражается в расчетах движения крупных небесных тел. Более того, на практике астрофизики учитывают влияние темной материи, например используя эффект гравитационных линз, что позволяет рассмотреть очень старые объекты Вселенной.

Поскольку темная материя не может быть непосредственно обнаружена, проводятся эксперименты, чтобы узнать об этом косвенно. Это может быть вызвано столкновениями частиц в Большом Адронном Коллайдере. Хоть объект не сможет содержать в себе темную материю, но любая, созданная при взрыве во время столкновения, темная материя будет уносить энергию и импульс, позволяя ученым идентифицировать материал, отображая эту недостающую энергию и импульс.

Исследователи из Университета Невады пытаются отслеживать волны темной материи, пролетающие над Землей, отслеживая десинхронизацию между атомными часами на орбите и на Земле.

Один из самых строгих тестов – эксперимент «Большой подземный ксенон» (LUX), проведенный в прошлом году. Установка LUX была построена вокруг огромной ванны ксенонового газа, на глубине в 1,5 километра, чтобы уменьшить влияние помех от других типов излучения. Идея заключается в том, что если и когда частица темной материи сталкивается с одной из частиц ксенона, по поверхности проходит легкая рябь. К сожалению, эксперимент длился 20-месяцев, но безрезультатно.

То, что эксперимент не обнаружил темную материю, не означает, что он был провальным. Вместо этого эксперимент помог сузить диапазон масс, которые характерны для темной материи. Хотя «частицы» темной материи могут иметь массу столь же огромную, как карликовая планета, LUX специально искал массы, более чем в пять раз превышающие массы протона. Отсутствие результата может указывать на то, что масса частиц темной материи меньше, чем наши инструменты могут обнаружить. Именно поэтому была создана система Брауна.

Большинство поисков темной материи были сосредоточены на частицах с массой от 10 до 10000 масс протона. Ниже 10 масс протонов эти эксперименты теряют в чувствительности. Мы хотим расширить чувствительность вниз по шкале на три или четыре порядка и исследовать возможность того, что частицы темной материи намного легче.Дерек Штайн, соавтор статьи, описывающей новый детектор.

Для этого новая система будет построена на основе резервуара сверхтекучего гелия вместо ксенона. Теория выглядит так: если ядро атомов в резервуаре больше, чем входящие частицы темной материи, то темная материя просто отскакивает, не нарушая строй частиц детектора. Так как ядро ксенона составляет около 100 масс протонов, это ограничивает величину входящих частиц. Гелий, однако, имеет ядерную массу всего четырех протонных масс, расширяя чувствительность и включая более легкие частицы.

Фактически, исследователи из Брауна говорят, что их проект будет обнаруживать частицы в 1000 и 10000 раз легче, чем предыдущие эксперименты. Использование гелия также является лишь частью улучшения. Новая конструкция усиливает сигнал, при реакции даже одного атома.

Если частица темного вещества сталкивается с атомом гелия, она создает волнообразные возбуждения, называемые фононами и ротонами. Они проходили бы через сверхтекучую жидкость беспрепятственно до тех пор, пока не достигли поверхности, высвободив атомы гелия в вакуум над жидкостью.

После небольшого вакуумного слоя, следует ряд металлических, положительно заряженных штырей. Когда атом гелия приближается к одному из них, он трансформируется в положительно заряженный ион гелия. Изобретательная часть состоит в том, что, поскольку оба теперь заряжены положительно, ион отталкивается, и попадает обратно на поверхность, вызывая цепную реакцию.

Пока что проект существует только в теории, но работы над его воплощением уже ведутся.

Филипп Дончев