Naukowcy poszukują „lekkiej” ciemnej materii

Badacze usprawnili detektor fotonów, dzięki któremu „lekka” ciemna materia – o masie mniejszej niż znane cząsteczki elementarne – będzie mogła zostać wykryta.

.Naukowcy uważają, że około 80 proc. masy Wszechświata składa się z ciemnej materii, jednak wciąż niewiele wiadomo na temat jej składu i struktury cząstek, z których się składa. Aby zbadać tę nieuchwytną substancję, badacze próbują wychwycić fotony, czyli cząstki światła, które powstają podczas zderzenia cząstek ciemnej materii ze zwykłą materią.

Większość dotychczasowych eksperymentów koncentrowała się na cząstkach ciemnej materii o masach mniej więcej pokrywających się z masami znanych cząstek elementarnych. Jeśli jednak cząstki są lżejsze od elektronu, jest mało prawdopodobne, aby można je było wykryć przy użyciu obecnych standardowych detektorów opartych na ciekłym ksenonie. Jak dotąd żadnemu eksperymentowi nie udało się bezpośrednio wykryć ciemnej materii. Jest to jednak samo w sobie ważne odkrycie, ponieważ wskazuje, że jej cząstki nie istnieją w badanym zakresie mas i siły oddziaływania.

Naukowcy University of Zurich, pod kierownictwem Laury Baudis, Titusa Neupert, Björna Penninga i Andreasa Schillinga, w ramach nowego badania poszukiwali cząstek ciemnej materii w szerokim zakresie mas poniżej jednego megaelektronowolta (MeV). Korzystając z ulepszonego nadprzewodzącego detektora pojedynczych fotonów z nanodrutami (superconducting nanowire single-photon detector – SNSPD), naukowcy osiągnęli próg czułości wynoszący około jednej dziesiątej masy elektronu, powyżej którego istnienie cząstek ciemnej materii jest bardzo mało prawdopodobne. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

„Po raz pierwszy udało nam się poszukiwać cząstek ciemnej materii w tak niskim zakresie mas, co było możliwe dzięki ulepszonemu detektorowi” – mówi Laur Baudis z University of Zurich.

Urządzenie SNSPD jest bardzo czułe na fotony o niższej energii – kiedy cząsteczka uderza w nanodrut, powoduje jego niewielkie nagrzanie i natychmiastową utratę nadprzewodnictwa. Drut na krótko staje się zwykłym przewodnikiem, a badacze mogą zmierzyć wzrost oporu elektrycznego.

W ramach najnowszego eksperymentu naukowcy zoptymalizowali urządzenie SNSPD, aby „lekka” ciemna materia mogła zostać przez nie wykryta. Wyposażyli je w nadprzewodzące mikrowłókna zamiast nanodrutów, aby zmaksymalizować jego przekrój czynny (wielkość fizyczna stosowana w statystycznym opisie zderzeń cząstek bądź obiektów). Nadali mu również cienką, płaską geometrię, która sprawia, że jest ono bardzo wrażliwe na zmiany kierunku. Naukowcy zakładają, że Ziemia przechodzi przez „wiatr” cząstek ciemnej materii, którego nachylenie zmienia się w ciągu roku. Urządzenie skonstruowane może pomóc w odfiltrowaniu zdarzeń niezwiązanych z ciemną materią.

.„Lekka ciemna materia może zostać uchwycona dzięki ulepszeniu urządzenia, co pozwoliłoby nam rozwiązać jej tajemnicę. Chcemy również zainstalować cały system jej wykrywania pod ziemią, gdzie będzie lepiej chroniony przed innymi źródłami promieniowania” – mówi Titus Neupert z University of Zurich.

Oprac. EG