Блог

Jul 29, 2023

Охота за частицами темной материи и невидимыми объектами?

Наша Вселенная полна загадок, ожидающих своего разрешения. Одна из величайших загадок современной физики — природа частиц темной материи и нейтрино. Несмотря на то, что они составляют

Наша Вселенная полна загадок, ожидающих своего разрешения. Одна из величайших загадок современной физики — природа частиц темной материи и нейтрино. Несмотря на то, что они составляют значительную часть Вселенной, мы до сих пор мало знаем об этих неуловимых частицах. Однако с помощью революционных технологий мы приближаемся к пониманию их свойств и можем использовать их как новое окно в скрытую Вселенную. Этот поиск знаний не только углубляет наше понимание Вселенной, но и может революционизировать наш образ жизни.

Здесь мы рассмотрим, как DarkWave, проект, финансируемый Европейской Комиссией (грант № 952480) и реализуемый консорциумом пяти исследовательских институтов – AstroCeNT/Астрономического центра Николая Коперника (недавно созданный в Польше Центр передового опыта в области физики астрочастиц) , Лаборатория астрочастиц и космологии/CNRS, Национальный институт ядерной физики и Научный институт Гран-Сассо, Технический университет Мюнхена – вносят свой вклад в эти научные усилия.

В современной стандартной модели космологии частицы темной материи составляют 27% Вселенной и определяют, как формируются, развиваются и движутся наблюдаемые структуры галактического масштаба и более крупные структуры. Обычная материя составляет 5%, из которых нейтрино - 0,3%. Остальное заполнено темной энергией, которая влияет на скорость расширения Вселенной.

В отличие от обычной материи, нейтрино и темная материя не реагируют на электромагнитную силу. Они даже не просто темные, а совершенно прозрачные — не поглощают, не отражают и не рассеивают фотоны. Это затрудняет им вообще какое-либо воздействие на обычную материю: большое количество космических нейтрино и частиц темной материи постоянно протекают через Землю без заметного эффекта. Тем не менее, как Стандартная модель космологии, так и Стандартная модель физики элементарных частиц имеют смысл только в том случае, если существует частица темной материи, а свойства нейтрино и темной материи являются ключом к нашему пониманию эволюции Вселенной. Поэтому мы строим детекторы для их наблюдения.

Взаимодействия нейтрино с веществом вызывают обнаруживаемые электрические заряды, но они настолько редки, что необходимо наблюдать большое количество атомов мишени, чтобы получить хотя бы небольшое количество взаимодействий. С темной материей ситуация еще сложнее: мы пока не знаем, что вообще представляет собой частица темной материи.

Некоторые теории физики элементарных частиц предсказывают слабо взаимодействующую массивную частицу (WIMP), которая сможет рассеиваться на атомных ядрах, передавая им некоторую кинетическую энергию. Тонны атомов мишени необходимо наблюдать за этим внезапным выделением дополнительной кинетической энергии в течение многих лет. Подобные эксперименты проводятся в глубоко подземных лабораториях, таких как INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) в Италии, где строится DarkSide-20k, следующий по чувствительности детектор темной материи. Километры горных пород необходимы для защиты от естественного космического излучения, которое в противном случае полностью заглушило бы искомые экзотические сигналы.

Обнаружение этих невидимых частиц темной материи сводится к обнаружению фотонов, которые они косвенно вызывают в материи. Один из лучших способов быть чувствительным к взаимодействиям вимпов и нейтрино — использовать сцинтиллятор — материал, излучающий вспышки света. Этот свет проходит через большой объем детектора и обнаруживается фотодатчиками, расположенными вокруг целевого объема. Жидкий аргон — отличный сцинтиллятор, но обнаружение его излучения — еще одна задача. Большинство коммерческих датчиков не чувствительны к излучаемому ими дальнему УФ-излучению; его необходимо преобразовать в видимый свет с использованием так называемых материалов сдвига длины волны (WLS). Одной из задач следующего поколения детекторов темной материи и нейтрино является масштабирование технологий WLS и фотодатчиков до 100 м2 и более. Проект DarkWave рассматривает ключевые аспекты этой проблемы: генерацию, сбор и обнаружение света.

Чтобы максимизировать количество генерируемого света, будет использоваться специально очищенный жидкий аргон. Перед заполнением детектора DarkSide-20k аргон будет очищаться на недавно открытом объекте «Ария» на Сардинии, где строится криогенная дистилляционная башня высотой 350 метров. Каждый отдельный фотон важен, поэтому для облицовки стенок детектора используется комбинация высокоэффективных материалов WLS и отражателей. Вето-детектор, окружающий основной детектор WIMP и подавляющий естественный радиационный фон, имеет площадь 200 м2. После обширных испытаний и создания прототипов под руководством AstroCeNT, а также измерений в жидком аргоне в Гран-Сассо, Университете Цюриха и ЦЕРН, в качестве WLS был выбран обычный пластик, полиэтиленнафталат (PEN), обычно используемый для изготовления таких вещей, как пивные бутылки. за вето. Эффективность ПЭН ниже, чем у специализированных материалов, но она компенсируется низкой стоимостью и наличием промышленных производств большой площади.