Ученые предложили новый способ считывания сигнала от частиц темной материи

Концепцию, которую можно будет использовать для регистрации света в видимом диапазоне, испускаемого частицами темной материи, предложили ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), 16 мая сообщает пресс-служба института.

Концепция была разработана по данным экспериментов, проведенных с помощью созданного специалистами ИЯФ СО РАН двухфазного криогенного детектора на основе аргона. Эксперименты показали возможность использования этой концепции в поиске слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) — главных кандидатов на роль частиц темной материи.

Результаты исследования физики ИЯФ СО РАН представили в статье «Считывание SiPM-матрицы двухфазных аргоновых детекторов с использованием электролюминесценции в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах», опубликованной в журнале The European Physical Journal C.

Ученые считают, что их концепция может быть применена в различных проектах поиска темной материи, в том числе в проектах международной коллаборации DarkSide.

В настоящее время в астрофизике считается, что «обычная» материя составляет лишь 5% энергии-массы Вселенной, 69% ее приходится на темную энергию и 26% — на темную материю.

Свое название темная материя получила из-за того, что она, не участвуя в электромагнитном взаимодействии, проявляет себя в гравитационном. При том что темную материю напрямую наблюдать никто не смог, а также ничего не известно о природе ее частиц, накоплено достаточно много косвенных доказательств ее существования.

Все они основываются на поведении астрофизических объектов, которое можно объяснить лишь наличием во Вселенной некой скрытой массы. Вероятным кандидатом на роль частиц темной материи ученые считают слабовзаимодействующую массивную частицу Weakly Interacting Massive Particle — WIMP.

Один из соавторов статьи, научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владислав Олейников пояснил:

«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. Прямой же поиск производится в детекторах, предназначенных для наблюдения событий предполагаемого упругого рассеяния WIMP на атомных ядрах».

Он уточнил, что в настоящее время поиск WINP осуществляют при помощи двухфазных (жидкость-газ) детекторов, в которых используются благородные газы аргон или ксенон. Такие детекторы выполняют регистрацию в газовой фазе сигнала ионизации, вызванного рассеянием частиц в жидкой фазе.

Ученые полагают, что WIMP может рассеиваться на обычной материи с выделением энергии, которую можно зарегистрировать чувствительным низкофоновым детектором. Такой метод, при котором предполагается непосредственное взаимодействие частиц с детектором, называют прямой регистрацией частиц темной материи.

«Успешная регистрация WIMP прямым методом дала бы наиболее определенное доказательство того, что эти частицы ответственны за скрытую массу во Вселенной, — продолжил свое объяснение Олейников. — Мы в ИЯФ СО РАН (лаборатория 3-3) совместно с Новосибирским государственным университетом (лаборатория космологии и физики элементарных частиц) развиваем как раз это направление».

При разработке детектора специалисты ИЯФ СО РАН остановили свой выбор на аргоне, поскольку такие двухфазные детекторы более чувствительны к регистрации WIMP и легче масштабируются. В дальнейшем предполагается увеличить массу рабочего вещества детектора до нескольких сотен тонн, что позволит получить для него предельную чувствительность.

Созданный в настоящее время ИЯФ СО РАН экспериментальный детектор невелик, в нем используется лишь около трех литров жидкого аргона. Но он позволил ученым исследовать механизмы излучения в видимом диапазоне, не требуя применения сместителей спектра, переизлучающих свет в нужный диапазон, которые используются в ныне существующих детекторах, создавая ряд проблем.

«Наша группа пошла другим путем и решила изучить возможность работы сразу в видимом диапазоне, без применения сместителя спектра», — рассказал о созданном ими детекторе Олейников.

В области взаимодействия частицы с веществом детектора возникает световой сигнал, называемый сигналом первичных сцинтилляций. Приложение электрического поля приводит к тому, что часть электронов из жидкости попадает в газ, где, сталкиваясь в достаточно высоком электрическом поле с атомами аргона, вызывает электролюминесценцию.

Изучив механизмы сцинтилляции и электролюминесценции в видимом диапазоне, исследователи ИЯФ СО РАН разработали альтернативную концепцию регистрации частиц темной материи для поиска WIMP в определенном диапазоне масс.

«До нашей работы информация о механизмах излучения в видимом диапазоне была неполной и разрозненной. На одной установке мы смогли изучить как механизмы электролюминесценции, так и механизмы сцинтилляции в видимом диапазоне. 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», — продолжил Олейников.

Тяжелая частица, пояснил он, при столкновении передаст ядру аргона достаточно энергии, которую сможет уловить детектор. Поэтому в будущем можно будет в поисках темной материи использовать детекторы, разработанные на основе концепции ИЯФ СО РАН, позволяющие регистрировать WIMP в определенном диапазоне масс.

Исследование новой концепции было проведено с использованием экспериментальной установки новосибирской группы the DarkSide collaboration.