Экстремальный холод и глубокая шахта открывают новую эру в поиске главной тайны Вселенной

Поиски темной материи выходят на новый интенсивный уровень, поскольку ведущий детектор достиг важнейшего рубежа. Глубоко под землей, в канадской шахте, холодильник, который почти в тысячу раз холоднее открытого космоса, только что достиг своей целевой температуры. Это событие приближает ученых на один шаг к потенциальному обнаружению темной материи — невидимой субстанции, которая, как считается, составляет большую часть массы Вселенной.

Для исследователей из Техасского университета A&M этот момент особенно значим. Их детекторы, созданные по индивидуальному заказу, находятся в самом сердце эксперимента SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) и обретают достаточную чувствительность для обнаружения возможных взаимодействий темной материи лишь при достижении этих экстремальных температур. SuperCDMS расположен в лаборатории SNOLAB — подземном исследовательском центре, который находится в никелевой шахте недалеко от города Садбери, провинция Онтарио. Ученые нацелены там на поиски так называемой легкой темной материи, то есть формы темной материи со значительно меньшей массой. Обнаружить такие частицы еще сложнее, чем более тяжелых кандидатов в темную материю.

Физик Техасского университета A&M доктор Рупак Махапатра и его команда разработали и изготовили высокоразвитые полупроводниковые детекторы с квантовыми датчиками специально для этого эксперимента. Доктор Махапатра отмечает, что это достижение отражает десятилетия прогресса. По его словам, исследователи прошли долгий путь от эксперимента CDMS первого поколения в городе Сьюдан, штат Миннесота, до нынешнего эксперимента SuperCDMS второго поколения в лаборатории SNOLAB. Этот путь проложил дорогу для невероятно чувствительных поисков неуловимой темной материи и других явлений за пределами Стандартной модели физики.

Достижение такой температуры — всего на тысячные доли градуса выше абсолютного нуля — необходимо для правильной работы сверхпроводящих датчиков детекторов. Абсолютный ноль — это самая низкая температура, возможная в принципе, при которой атомы неподвижны настолько, насколько позволяют законы физики. Приближение к этой точке имеет решающее значение, потому что детекторы могут заметить самые слабые сигналы темной материи только тогда, когда все другие источники естественных колебаний практически заморожены. Доктор Махапатра объяснил, что когда ученые достигают так называемой базовой температуры, это означает, что система остыла до такой степени, что ничто внутри нее уже не является достаточно теплым, чтобы создавать помехи для детекторов. Только в этом экстремальном холоде датчики становятся достаточно тихими и точными, чтобы работать так, как было задумано.

Физик Техасского университета A&M доктор Дэвид Тобэк, давний член исследовательской коллаборации, подчеркнул, насколько преобразующий характер носит это отсутствие шумов. Он отметил, что хотя темная материя и наполняет всю Вселенную, люди на самом деле не понимают ее природу. Именно сверхнизкие температуры делают детекторы невероятно чувствительными ко всему новому, что попадает в поле их зрения.

Глубина расположения лаборатории SNOLAB — около 2070 метров ниже земной поверхности — защищает эксперимент от космических лучей и других посторонних шумов, которые могли бы заглушить те слабые сигналы, которые ищут ученые. Доктор Махапатра пояснил, что из многолетних астрономических измерений ученым известно: наша галактика окутана огромным облаком темной материи. Эти частицы постоянно проходят сквозь Землю, но они взаимодействуют с обычным веществом настолько редко, что требуется исключительно тихий и чувствительный детектор, чтобы иметь хоть какой-то шанс застать одну из таких частиц за взаимодействием. Команда Техасского университета A&M специализируется на передовых полупроводниковых детекторах в сочетании с квантовыми датчиками — технологиях, которые существенно продвинули глобальные поиски темной материи. Команда внесла вклад не только в аппаратное обеспечение, но и в инновации в физике детекторов, включая методы, которые значительно улучшили чувствительность к кандидатам в легкую темную материю. Эти кристаллы германия и кремния размером с хоккейную шайбу, оснащенные сверхпроводящими датчиками, генерируют крошечные вибрации, называемые фононами, когда в них попадает частица. Эти вибрации настолько малы, что их можно обнаружить только при температурах, близких к абсолютному нулю.

Теперь, когда эксперимент достаточно охлажден для работы, команды приступят к вводу в строй каждого из 24 детекторов: их включению, настройке и проверке того, что они реагируют должным образом. После полной калибровки SuperCDMS начнет собирать данные в ходе научной сессии, которая, как ожидается, продлится около года. Исследователи утверждают, что помимо охоты за темной материей эксперимент позволит ученым изучать редкие изотопы, исследовать энергии в диапазонах, которые никто раньше не измерял, и, если повезет, обнаружить нечто совершенно новое.