Установлены первые ограничения на темную материю на основе германия

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 свет 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.

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 время 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 энергия 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.

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, энергия 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 время 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 измерения двух наблюдаемых ( например, нагревание / ионизация, ионизация / сцинтилляция или нагревание / сцинтилляция), как в случае с ранее предложенными методами распознавания.

«Никакие существующие в настоящее время 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.