Установлены первые ограничения на темную материю на основе германия

0 604

Космологические наблюдения и измерения, собранные в прошлом, предполагают, что обычная материя, которая включает в себя звезды, галактики, человеческое тело и бесчисленное множество других объектов и живых организмов, составляет только 20% от общей массы Вселенной. Оставшаяся масса, согласно теории, состоит из так называемой темной материи, типа материи, которая не поглощает, не отражает и не испускает и, таким образом, может наблюдаться только косвенно через гравитационные эффекты на окружающую среду.

Хотя точная природа этого неуловимого типа материи до сих пор неизвестна, в последние десятилетия физики идентифицировали множество частиц, которые выходят за рамки стандартной модели (теории, описывающей некоторые из основных физических сил во Вселенной) и которые могут быть кандидатами для темной материи.

Затем они попытались обнаружить эти частицы, используя два основных типа усовершенствованных детекторов частиц: полупроводниковые детекторы граммового масштаба (обычно сделанные из кремния и используемые для поиска маломассивной темной материи) и газовые детекторы тонного масштаба (которые имеют более высокие пороги обнаружения энергии и лучше подходят для поиска темной материи большой массы).

Коллаборация EDELWEISS, большая группа исследователей, работающих в Лионском университете, Университете Париж-Сакле и других европейских институтах, недавно выполнила первый поиск темной материи с помощью детектора на основе германия (Ge). Хотя команде не удалось обнаружить темную материю, они установили ряд ограничений, которые могут послужить основой для будущих исследований.

«EDELWEISS — это прямой эксперимент по поиску темной материи. Таким образом, наша основная цель — обнаружить темную материю, чтобы получить неопровержимые доказательства ее существования», — сказал физик Квентин Арно. «Тем не менее, отсутствие обнаружения само по себе является важным результатом, потому что это позволяет нам тестировать и устанавливать ограничения на существующие модели частиц темной материи».

Есть две основные причины, по которым частицы темной материи до сих пор не обнаруживаются. Во-первых, вероятность того, что эти частицы будут взаимодействовать с обычной материей, такой как та, которая находится внутри обычных детекторов частиц, чрезвычайно мала.

Смотрите также  Новая технология позволяет кубитам хранить информацию в 10 000 раз дольше

Во-вторых, ожидаемый исследователями сигнал от частицы темной материи, падающей на детектор, на несколько порядков ниже, чем сигналы, производимые естественной радиоактивностью. Таким образом, для обнаружения этих сигналов потребуется очень длительное воздействия детектора и использование инструментов, которые сделаны из радиоактивных материалов, но которые также имеют надлежащую защиту и работают глубоко под землей, поскольку это не позволяет им улавливать радиоактивность окружающей среды и космические лучи.

«В конце концов (несмотря на все наши усилия) всегда будет какой-то остаточный фон, который нам понадобится, чтобы иметь возможность дискриминировать», — объяснил Арно. «Поэтому мы разрабатываем детекторные технологии, позволяющие определять, вызваны ли обнаруживаемые нами сигналы частицей темной материи или их источником является радиоактивный фон».

Арно и его коллеги первыми начали поиск темной материи с энергией менее МэВ, используя германиевый криогенный детектор весом 33,4 грамма вместо кремниевого детектора частиц. Они специально искали частицы темной материи, которые могли бы взаимодействовать с электронами. Детектор, который они использовали, работал под землей в Лаборатории Сутеррен де Модан во Франции.

«Ожидается, что энергия, выделяемая в нашем детекторе после взаимодействия с частицами темной материи, будет чрезвычайно мала (<1 кэВ)», — сказал Арно. «При поиске светлых частиц темной материи (массой менее МэВ) ситуация еще хуже: выделяемая может составлять всего несколько эВ, а запасы энергии настолько малы, что могут быть применены лишь некоторые современные детекторные технологии, чувствительны к ним».

Детектор, используемый коллаборацией EDELWEISS, по сути, состоит из цилиндрического кристалла германия, охлажденного до криогенной температуры (18 мК или -273,13 ° C), с алюминиевыми электродами на каждой стороне кристалла, на которые команда физиков приложила высокую разность напряжений.

Столкновения между частицами и ядрами / атомами внутри кристалла приводят к образованию электронно-дырочных пар, которые вызывают небольшой зарядовый сигнал (то есть ток), когда они дрейфуют к собирающим электродам.

Смотрите также  Четыре базовые единицы измерения в метрической системе будут изменены

Кроме того, столкновение частицы с кристаллической решеткой вызывает небольшое повышение температуры (то есть ниже 1 микрокельвина). Это изменение температуры можно измерить с помощью очень чувствительного термодатчика, известного как датчик, легированный трансмутацией нейтронов (NTD). Поскольку отложения энергии, которые теоретически должны возникать от частиц темной материи с энергией менее МэВ, невероятно малы (т. е. в масштабе эВ), однако, соответствующий сигнал заряда будет слишком мал, чтобы его можно было измерить, а повышение температуры слишком незначительным, чтобы его можно было измерить. измеряется датчиком NTD.

«Чтобы решить эту проблему, наш детектор использует так называемый эффект Неганова-Трофимова-Люка (NTL) (который в некоторой степени похож на эффект Джоуля): в криогенных полупроводниковых детекторах дрейф N электронно-дырочных пар по напряжению Эта разница производит дополнительное тепло, которого складывается из первоначально выделенной энергии», — сказал Арно.

«Этот эффект Неганова-Трофимова-Люка (NTL) по существу превращает криогенный калориметр (работающий при ΔV = 0 В) в усилитель заряда. Небольшой запас энергии в конечном итоге приводит к значительному (измеримому) повышению температуры и повышению напряжения, тем выше усиление».

Арно и его коллеги установили новые ограничения на кинетическое смешение темных фотонов. В целом, полученные ими результаты демонстрируют высокую актуальность и ценность криогенных германиевых детекторов в продолжающемся поиске взаимодействий темной материи, которые производят электронные сигналы масштаба эВ.

Коллаборация EDELWEISS в настоящее разрабатывает набор более мощных детекторов под названием SELENDIS (Single ELEctron Nuclear Recoil Discrimination). Наиболее важной особенностью этих новых детекторов является инновационная методика распознавания, которая позволит команде различать ядерную и электронную отдачу вплоть до одной пары электрон-дырка с единственным измерением тепловых сигналов, вместо того, чтобы требовать одновременного двух наблюдаемых ( например, нагревание / ионизация, ионизация / сцинтилляция или нагревание / сцинтилляция), как в случае с ранее предложенными методами распознавания.

Смотрите также  У воды в жидком состоянии есть две разные структуры

«Никакие существующие в настоящее технологии детекторов не могут сочетать в себе чувствительность обнаружения одиночных электронов и возможности распознавания», — сказал Арно. «Эксперименты по прямому обнаружению, оптимизированные для поиска темной материи большой массы, очень хороши в различении сигнала от фона, но имеют относительно высокие пороги обнаружения энергии. Эксперименты по поиску темной материи малой массы, в том числе EDELWEISS, имеют беспрецедентно низкие пороги обнаружения энергии, но не могут отличить сигнал от фона. В SELENDIS наша цель состоит в том, чтобы объединить их, разработав первый детектор, сочетающий в себе чувствительность одиночных электронных дырочных пар и возможности распознавания фона».

Читайте также:

Смоделированы некоторые свойства темной материи

Сверхточная метрология приближается к темной материи


First Germanium-based constraints on Sub-MeV dark matter with the EDELWEISS experiment. Physical Review Letters(2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.141301.

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x