Фізики з США та Ізраїлю запропонували схему детектора темної матерії, в основі якого лежать надчисті алмази. Такий детектор одночасно може відстежувати відразу три типи темних частинок, що по-різному взаємодіють зі звичайною матерією і мають різні маси. Більше того, з розрахунків вчених випливає, що чутливість запропонованого детектора перевищує чутливість існуючих аналогів у всіх трьох діапазонах. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє Physics, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Темна матерія - одна з найбільш загадкових субстанцій, з якими працюють сучасні вчені. З одного боку, астрономи бачать безліч свідчень на користь існування невидимої матерії, яка притягує звичайну матерію, але не здатна випромінювати фотони. До числа таких свідчень належать криві обертання галактик, лінзовані зображення далеких об'єктів, специфічний спектр коливань реліктового випромінювання, видимі порушення теореми віріалу та інші явища, які складно пояснити в рамках теорій без темної матерії. Більш детально про «свідків темної матерії» можна прочитати в матеріалах «Невидимий цемент Всесвіту» і «Темна матерія». З іншого боку, вчені досі не знають, з чого складається темна матерія - незважаючи на десятки років пошуків і десятки мільйонів витрачених доларів, детектори так і не змогли зловити жодної гіпотетичної темної частинки. Точність деяких детекторів така висока, що вони вже впритул наблизилися до нейтринного фону, нижче якого відчути гіпотетичні частинки в принципі неможливо.
Ймовірно, причини цих невдач полягають у тому, що практично всі експерименти з пошуку темної матерії зосереджені на вімпах - важких темних частинках, які з'являються в теорії найбільш природним чином. Легші частинки від таких детекторів вислизають. Тому фізики не впадають у відчай і поступово перебудовують експерименти на інші, менш очікувані діапазони мас. Вченим складно повірити в те, що матерія, нехай і темна, може бути зроблена не з частинок.
Підтримуючи цю тенденцію, група вчених під керівництвом Бласа Кабрера (Blas Cabrera) також розробила прототип детектора, що вловлює частинки темної матерії з масою менше однієї тисячної маси протона. В основі запропонованої схеми лежать алмазні кристали, вирощені шляхом хімічної облоги з газової фази (chemical vapor deposition, CVD). У порівнянні з іншими детектуючими матеріалами, такі алмази мають низку переваг. По-перше, атоми вуглецю, з яких побудована кристалічна решітка алмазу, мають невелику масу (майже в десять разів менше маси атомів ксенона), тому сильніше відхиляються при зіткненнях з легкими частинками темної матерії. По-друге, в алмазі легко поширюються фотони і фонони. По-третє, алмаз витримує дуже сильні електричні поля (до 20 мегавольт на сантиметр). По-четверте, CVD-алмази практично не містять домішок і дефектів. По-п'яте, під алмазний детектор можна легко адаптувати техніки, розроблені для установок на основі кремнію або німеччина, оскільки всі ці напівпровідники володіють схожою структурою і властивостями.
Крім того, алмазний детектор одночасно шукає частинки темної матерії відразу трьома різними способами, що відповідають різним діапазонам мас. Кожен з цих способів вчені розглянули окремо. По-перше, як і більшість інших детекторів, алмазний детектор може відстежувати частинки темної матерії за зіткненнями з ядрами кристалічної решітки. Коли таке зіткнення відбувається, ядро трохи відхиляється від рівноважного становища, і решітка починає вагатися. Кванти таких коливань переносяться квазічастицями-фононами, які можна відчути за допомогою сенсорів електротеплових переходів з пасткою квазічастиць (quasiparticle trap - assisted electrothermal-feedback transition edge sensor, QET). Грубо кажучи, такі сенсори складаються з пастки, яка перетворює енергію фононів на тепло, і чутливого датчика тепла. За оцінками вчених, такі процеси найбільш чутливі до частинок з масами близько десяти - ста мегаелектронвольт (маса протона становить близько 940 мегаелектронвольт). У цій області детектор може помітити частинки, для яких перетин розсіювання на нуклоні не перевищує 10 − 43 квадратних сантиметрів. Це на кілька порядків перевищує чутливість існуючих експериментів.
По-друге, коли частинка темної матерії пролітає крізь алмаз, вона може народити в ньому електрон-позитронну пару. Якщо детектор знаходиться в сильному електричному полі, електрон і позитрон розбіжаться в протилежні сторони і потраплять в детектори, розташовані навколо алмазу. Завдяки високій чистоті CVD-алмазів середня довжина пробігу заряджених частинок навіть при кімнатній температурі досягає десяти сантиметрів, що дозволяє збільшити робочу область детектора. Чисельно змоделювавши такі процеси за допомогою програми QEDARK, фізики оцінили чутливість детектора. Виявилося, що народження зарядів також дозволяє відстежувати частинки з масами близько десяти - ста мегаелектронвольт. Тим не менш, вчені підкреслюють, що електрон-позитронні пари і фонони народжують різні типи темних частинок, які зазвичай шукають на різних експериментальних установках.
По-третє, частинка темної матерії може перевести атом вуглецю в збуджений стан і змусити його випромінювати фотон. Подібно фононам або зарядженим частинкам, фотон біжить крізь алмаз і потрапляє у фотодетектор. Оскільки ймовірність такого процесу сильно залежить від сорту темних частинок, при аналізі цього сценарію вчені розглянули два найбільш популярних типи легкої темної матерії: темні фотони та аксіоноподібні частинки. За оцінками теоретиків, маса обох типів частинок лежить в діапазоні від 0,001 до 1000 електронвольт (або навіть більш широкому діапазоні). З розрахунків групи Кабрера випливає, що алмазний детектор здатний просканувати цей діапазон і в кілька разів поліпшити існуючі оцінки на константи зв'язку темних частинок.
Автори статті стверджують, що зараз вони вже працюють над реальним прототипом детектора - масивами QET-сенсорів, що лежать в основі першого методу детектування. Єдина проблема, яка може перешкодити зрівнятися з іншими великими експериментами з пошуку темної матерії (XENON, CDMS, PandaX і так далі) - це висока вартість чистих кристалів, вирощених методом хімічної облоги з газової фази. Тим не менш, вчені відзначають, що вартість виготовлення таких кристалів з кожним роком зменшується. Зокрема, вже зараз кілограм CVD-алмазів можна купити за ціною, порівнянною з вартістю ксенона для експерименту LUX-Zeplin. Крім того, перш ніж будувати справжній детектор, вченим потрібно придумати, як позбутися фонових процесів, які перебивають сигнал від темної матерії і «замилюють» спостережувану картину. У цій статті вчені це питання детально не розглядали.
Незважаючи на невдачі детекторів темної матерії, фізики продовжують сканувати нові діапазони мас. Для цього вчені розробляють нові методи пошуку гіпотетичних частинок. Наприклад, у листопаді 2017 року співробітники університету Брауна запропонували відстежувати «легкі» частинки темної матерії за квантовим випаром рідкого гелію, пронизаного електричним полем. У березні цього року фізики з США та Ізраїлю придумали схему детектора з використанням надпровідних проводів, які нагріваються при зіткненні з вімпами. Цю ідею вчені запозичили з фізики нейтрино. А на квітневій зустрічі американської фізичної спільноти дослідники з Університету штату Нью-Йорк в Олбані представили проект «сніжкової камери» - аналога бульбашкової і «туманної» камери, «натренованого» на пошук легких частинок темної матерії. За оцінками вчених, чутливість такої установки щонайменше в сто разів перевершує існуючі аналоги.