Азот поможет в поиске темной материи

Поиск темной материи ведется уже многие годы. Для «ловли» загадочных частиц строятся подземные установки огромных размеров. Ученые из совместной лаборатории НГУ и Института ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН) нашли способ как во много раз усилить чувствительность детекторов темной материи. Физики надеются, что предложенный ими принцип позволит создать новую, самую чувствительную в мире установку для поиска темных частиц.

Аргоновый прототип детектора частиц темной материи

Прежде чем говорить о работе новосибирских физиков, вспомним, что такое темная материя. Строго говоря, сегодня этого никто не знает. Звезды, планеты, воздух, камни, животные, микроорганизмы – все это обычная материя, которая состоит из протонов, электронов и нейтронов. Однако разнообразные научные данные указывают на существование другой субстанции – темной материи. Она есть в космосе и вокруг нас, но очень слабо взаимодействует с обычной материей, поэтому мы ее не ощущаем и не видим. Считается, что потоки частиц темной материи пролетают сквозь нас, планеты и звезды и только изредка сталкиваются (взаимодействуют) с частицами обычной материи. Возможность этих столкновений подает ученым надежду с помощью специальных детекторов однажды зарегистрировать частицы темной материи и изучить их природу и свойства.

На сегодняшний день в экспериментах по поиску частиц темной материи задействованы детекторы, основанные на различных физических принципах. Для их создания требуются специальным образом очищенные материалы, не содержащие примесей радиоактивных элементов, и отсутствие фона от космического излучения (поэтому установки глубоко под землей). Очевидно, что прежде чем строить новые огромные и чрезвычайно дорогостоящие детекторы, перспективные методики отрабатываются в лабораторных условиях на детекторах-прототипах.

В лаборатории космологии и элементарных частиц, основанной Новосибирским госуниверситетом и Институтом ядерной физики СО РАН, работают над созданием нового, усовершенствованного прототипа детектора темной материи. Поток загадочных частиц, которые так редко взаимодействуют с другим веществом, имитируют с помощью источника нейтронов, разработанного в ИЯФ СО РАН.

Старший научный сотрудник лаборатории Андрей Соколов рассказал, что за основу прототипа детектора физики взяли установку, работающую на сжиженном инертном газе аргоне. Внешне она выглядит так: большой, похожий на кастрюлю, криостат серебристого цвета, от которого во все стороны отходят провода и шланги и к которому подключено множество датчиков и приборов.

Старший научный сотрудник Андрей Соколов

Сжиженный газ находится внутри криостата. Столкновение частиц темной материи с атомами аргона сопровождается передачей энергии и образованием свободных электронов. Сигнал о произошедшем соударении частиц поступает в виде света, который регистрируют чувствительные датчики, фотоэлектронные умножители, – такова общая упрощенная схема работы аргоновых детекторов.

В лаборатории космологии элементарных частиц решили общепринятую схему изменить за счет дополнительной установки газовых электронных умножителей (в ИЯФе с ними работают более 15 лет и хорошо изучили их свойства, отмечает Андрей Соколов). Датчики требовались, чтобы регистрировать сигнал не только в жидком аргоне, но и в парах газа. Это должно было усилить чувствительность детектора. Однако результаты удивили ученых:

«Мы увидели очень много света, гораздо больше, чем мы ожидали. И мы не знали, как это интерпретировать».

Удача под видом примеси

Физикам пришлось разбираться с неожиданным эффектом. В итоге оказалось, что всему виною маленькая добавка азота, который попал в криостат с аргоном. Видимо, когда перед началом работы из криостата откачивали воздух для дальнейшего заполнения аргоном, небольшое количество азота осело на стенках емкости. «Азот (в силу строения энергетических оболочек) поглощал испускаемый свет от аргона и переизлучал его в мягком ультрафиолетовом спектре, что было легко зарегистрировать», – вспоминает Андрей Соколов. Для ученых это была настоящая удача.

«Изначально с регистрацией свечения, которое должно было служить сигналом о столкновении с темной материей, возникали сложности. Свечение происходит в области так называемого вакуумного ультрафиолета. Это жесткое коротковолновое излучение, которое не проходит сквозь атмосферу. Для регистрации требовалось его переизлучить – поглотить другим веществом, так называемым шифтером, которое бы сместило спектр и переизлучило свет уже на другой длине волны. Но при этом терялось бы значительная часть первичного излучения и, следовательно, уменьшалась чувствительность детектора».

И вдруг внепланово попавший в эксперимент азот оказался идеальным шифтером. «Думали, что баг, оказалось – фича», – шутят ученые.

Обнаруженный в лаборатории эффект был уже описан в научной литературе около 30 лет назад. Тогда исследования проводились при комнатной температуре. «В нашем случае, при низкой температуре, механизм работает еще лучше – для перехвата света требуется еще меньшее количество азота. Будет достаточным использовать около 50 миллионных долей», – говорит Андрей Соколов.

«Идея с переизлучением света от аргона с помощью очень маленькой добавки азота позволит существенно упростить конструкцию детектора, одновременно увеличив чувствительность до предела, который превышает возможности современных установок. Иначе говоря, у нас есть шанс построить самую чувствительную в мире установку, работающую на этом принципе».

Лаборант Александр Чегодаев собирает установку

Пока эксперименты идут на малой установке, но в дальнейшем физики планируют продолжить исследования в лаборатории на аналогичном аргоновом прототипе детектора с объемом криостата 150 литров. Согласно более ранним расчетам ученых, рабочая версия такого детектора регистрировала бы до одного события – столкновения частиц – в день. Но целенаправленное добавление азота позволяет говорить, предположительно, о нескольких десятках – настолько усилится уровень чувствительности приборов.

О результатах проведенной в лаборатории работы Андрей Соколов рассказал коллегам на международной конференции в итальянском городе Триесте: «Доклад вызвал большой интерес, и выводы о роли азота оказались для участников неожиданными. Многие исследователи работали на аргоновых детекторах до нас и, судя по всему, наблюдали тот же эффект, но неправильно интерпретировали результаты. Видимо, им придется пересмотреть свои данные».

Что произойдет дальше, когда методика создания детекторов с высоким уровнем чувствительности будет отработана на прототипах? Ученые планируют вступить в одну из колабораций, занимающуюся поисками темной материи. Тогда технологии лаборатории НГУ и ИЯФ СО РАН можно будет использовать в работе детекторов частиц темной материи. Тех самых, что создаются из сверхчистых материалов и находятся глубоко под землей.

Совместная лаборатория космологии и элементарных частиц, возглавляемая Александром Дмитриевичем Долговым, была создана на средства мегагранта правительства РФ, полученного Новосибирским госуниверситетом, и находится в Институте ядерной физики СО РАН. Сотрудниками лаборатории являются ученые ИЯФ СО РАН и НГУ.

Фотографии предоставлены ведущим инженером лаборатории Валерием Носовым

Дина Голубева