Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали двухфазный криогенный детектор на основе аргона. Эту разработку можно использовать для регистрации света в видимом диапазоне от потенциальных частиц темной материи. Как сообщает пресс-служба института, новый способ поможет в поиске WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) – слабовзаимодействующих массивных частиц. В современной науке их считают главными претендентами на роль частиц темной материи.
По представлениям ученых, только 5% энергии-массы Вселенной состоит из обычной материи. Все остальное – это темная энергия (69%) и темная материя (26%). Несмотря на то, что напрямую темную материю никто не наблюдал и о природе ее частиц до сих пор ничего не известно, косвенных доказательств ее существования накопилось довольно много. Все они связаны со специфическим поведением астрофизических объектов, которое указывает на наличие скрытой массы во Вселенной. Физики предполагают, что именно WIMP вполне могут быть частицами темной материи.
«Существуют прямые и косвенные методы поиска WIMP. К косвенным методам поиска относят регистрацию продуктов аннигиляции WIMP от различных астрофизических источников или поиск специфической картины разлета частиц при взаимодействии частиц в коллайдерах, – рассказал научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владислав Олейников. – Прямой же поиск производится в детекторах, предназначенных для наблюдения событий предполагаемого упругого рассеяния WIMP на атомных ядрах. В последнее время наиболее прогрессивным является поиск WINP при помощи двухфазных (жидкость-газ) детекторов на основе благородных газов, таких как аргон или ксенон».
По словам ученого, WIMP могут рассеиваться на обычной материи и выделять энергию, которую способен зарегистрировать чувствительный низкофоновый детектор. Такой поиск называют прямой регистрацией частиц темной материи, поскольку предполагается непосредственное взаимодействие частиц с детектором.
«Успешная регистрации WIMP прямым методом дала бы наиболее определенное доказательство того, что эти частицы ответственны за скрытую массу во Вселенной. Мы в ИЯФ СО РАН совместно с Новосибирским государственным развиваем как раз это направление», – объяснил Владислав Олейников.
Двухфазные детекторы на основе аргона имеют преимущества перед ксеноновыми детекторами: они более чувствительны к регистрации WIMP и легче масштабируются. Экспериментальная установка ИЯФ СО РАН небольшая – в ней используют всего около трех литров жидкого аргона, но на ней специалистам удалось всесторонне изучить механизмы излучения без применения сместителей спектра. Так называют материалы, способные переизлучать свет в нужный диапазон.
«Часть энергии частиц, регистрируемых в двухфазных детекторах на аргоне, преобразуется в свет в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 128 нанометров, – продолжает Владислав Олейников. – Зарегистрировать такое излучение обычными приборами довольно проблематично, поэтому в подобных установках используют сместитель спектра – специальный органический порошок (как правило, тетрафенил-бутадиен, ТФБ), который напыляют на стенки детектора. Нанесенный материал смещает спектр излучения в видимый диапазон».
Но с ТФБ связан ряд проблем: со временем он может растворяться в жидком аргоне или отслаиваться от поверхности детектора при температуре, необходимой для работы установки. К тому же напылять этот порошок на стенки детектора больших размеров довольно сложно.
«Наша группа пошла другим путем и решила изучить возможность работы сразу в видимом диапазоне без применения сместителя спектра», – уточнил ученый.
Физики предложили альтернативную концепцию регистрации частиц темной материи, которая позволит искать WIMP в определенном диапазоне масс.
«До нашей работы информация о механизмах излучения в видимом диапазоне была неполной и разрозненной, – добавил Владислав Олейников. – Как и ожидалось, интенсивность излучения в видимом диапазоне оказалась ниже, чем в ультрафиолетовом. Тем не менее, используя электролюминесцентный сигнал, возможно регистрировать WIMP с массой выше 10 ГэВ/с2. То есть, если частица тяжелая, она передаст ядру аргона достаточно энергии, чтобы мы смогли наблюдать сигнал от нее»,
Результаты работы опубликованы в журнале The European Physical Journal C.