Прототип устройства для обнаружения тёмной материи

Исследователи из Университета Зарагозы (University of Zaragoza, UNIZAR), Испания, совместно с коллегами из Института астрофизики (Institut d'Astrophysique Spatiale, IAS), Франция, разработали "сцинтилляционный болометр" ("scintillating bolometer") – устройство, которое должно помочь обнаружить тёмную материю Вселенной. Оно было протестировано в Санфранкской подземной лаборатории (Canfranc Underground Laboratory) в Уэска, Испания.

"Одна из сложнейших задач сегодняшней физики – обнаружение истинной природы тёмной материи, которую невозможно наблюдать непосредственно, даже с учётом того, что она составляет четверть всей материи Вселенной. Поэтому мы пытаемся обнаружить её, используя разработанный прототип", - рассказывает исследователь из Лаборатории ядерной физики и космических частиц (Laboratory of Nuclear Physics and Astroparticles) при UNIZAR Эдуардо Гарсия Абансинс (Eduardo García Abancéns). Он является одним из учёных, работающих над проектом ROSEBUD (акроним от Rare Objects SEarch with Bolometers UndergrounD – Поиск редких объектов с помощью подземных болометров) – международной совместной инициативы между IAS и UNIZAR, фокусирующейся на поиске тёмной материи в Млечном Пути. В целом над этой миссией учёные работают уже десятилетие в Санфранкской лаборатории, где находятся разнообразные криогенные детекторы с рабочими температурами, близкими к абсолютному нулю - -273,15° С. Самый новый из них – это "сцинтилляционный болометр" – 46-граммовое устройство, содержащее кристалл сцинтиллятора (вещество, излучающее свет при поглощении ионизирующего излучения), сделанный из висмута, германия и кислорода.

"Эта техника детектирования базируется на одновременных измерениях света и тепла, генерируемых взаимодействием между детектором и гипотетическими WIMP (Weakly Interacting Massive Particles – слабо взаимодействующие массивные частицы), которые, согласно разным теоретическим моделям, объясняют существование тёмной материи", - поясняет Гарсия Абансинс. Различия в сцинтилляции различных частиц позволяет дифференцировать сигналы от WIMP и других элементов фонового излучения (например, альфа-, бета- или гамма-частиц). Из–за незначительного количества измеряемого тепла детектор должен быть охлаждён до температур, близких к абсолютному нулю. Укреплённое свинцовыми и полиэтиленовыми блоками защищённое от космической радиации криогенное оборудование было помещено в подземную лабораторию. "Новый сцинтиллирующий болометр работает превосходно, доказывая жизнеспособность как детектора в экспериментах по поиску тёмной материи, а также как гамма-спектрометра, чтобы наблюдать за фоновым излучением", - говорит Абансинс. В настоящий момент болометр находится во Франции, где команда учёных работает над оптимизацией собирания света прибором и проводит испытания кристалла. Исследование является частью европейского проекта EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array – Европейский подземный массив калориметров для регистрации редких явлений), в котором участвуют 16 европейских организаций. Цель – построить криогенный детектор массой 1 тонна и использовать его в течение следующего десятилетия.

Для поиска тёмной материи, которая не генерирует излучение, применяются прямой и непрямой методы. Первый включает одновременную регистрацию света и тепла (как в случае болометра), тепла и ионизации, света и ионизации. Последний вид используется в исследовании характерных сигналов (известных по поиску годичных модуляций в тёмной материи, вызванных движением по Земли по орбите). Непрямые методы нацелены на идентификацию таких частиц, как нейтрино или фотоны, образующихся при уничтожении частиц тёмной материи.