Международная коллаборация ученых под руководством Университета Цюриха и Еврейского университета в Иерусалиме добилась значительного прорыва в исследовании скрытой массы Вселенной. Эксперимент QROCODILE, использующий передовые сверхпроводящие детекторы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю, установил беспрецедентные пределы взаимодействия темной материи с обычной материей, открывая новую эру в поиске легких частиц темной материи.
Темная материя, составляющая около 85% всей массы Вселенной, остается одной из самых глубоких загадок физики. Ее неуловимая природа, характеризующаяся невидимостью и отсутствием взаимодействия с электромагнитным излучением, десятилетиями представляла собой серьезную проблему для прямого обнаружения. Ученые давно пытаются зафиксировать хотя бы одну частицу этого таинственного вещества, которое формирует структуру галактик и всей Вселенной.
Эксперимент QROCODILE предлагает новый подход, фокусируясь на обнаружении «легких» частиц темной материи, массы которых значительно меньше, чем те, что исследовались ранее. В основе этого прорывного исследования лежит сверхпроводящий детектор последнего поколения, способный регистрировать чрезвычайно слабые энергетические вклады — до 0,11 электрон-вольт. Эта чувствительность, в миллионы раз превосходящая возможности обычных экспериментов по физике элементарных частиц, открывает новое направление для исследования кандидатов в очень легкую темную материю.
В ходе научного эксперимента, продлившегося более 400 часов, команда QROCODILE зафиксировала небольшое количество необъяснимых сигналов. Хотя эти события требуют дальнейшего изучения для исключения их происхождения от космических лучей или естественного фонового излучения, они уже позволили установить новые, строгие пределы силы взаимодействия легких частиц темной материи как с электронами, так и с атомными ядрами. Ученые из Университета Цюриха, включая Лору Бодис, Титуса Нойперта, Бьорна Пеннинга и Андреаса Шиллинга, оптимизировали свой сверхпроводящий нанопроволочный однофотонный детектор (SNSPD) для поиска темной материи, достигнув чувствительности примерно к одной десятой массы электрона.
Ключевым достижением эксперимента QROCODILE является его потенциал для направленной чувствительности. По мере движения Земли по галактике ожидается, что она будет сталкиваться с частицами темной материи из предпочтительного направления, создавая едва уловимый «ветер темной материи». Конструкция детектора с его специфической геометрией позволяет улавливать эти направленные сигналы. Эта возможность имеет решающее значение для различения подлинных сигналов темной материи от постоянного потока случайного фонового шума, что является жизненно важным шагом на пути к окончательному открытию.
Профессор Йонит Хохберг из Института физики Рака Еврейского университета, один из ведущих ученых проекта, подчеркнула важность этих результатов: «Впервые мы установили новые пределы существования особенно легкой темной материи. Это важный первый шаг к более крупным экспериментам, которые в конечном итоге могли бы достичь долгожданного прямого обнаружения». Следующий этап проекта, NILE QROCODILE, направлен на дальнейшее повышение чувствительности детектора и будет включать перемещение эксперимента под землю. Этот стратегический шаг обеспечит улучшенную защиту от космических лучей, являющихся распространенным источником помех, тем самым повышая точность эксперимента и его шансы на раскрытие тайн темной материи.
Технология, усовершенствованная с момента демонстрации концепции в 2022 году, использует принцип, согласно которому фотон, попадая на сверхпроводящий провод, вызывает потерю его сверхпроводимости, генерируя измеримое изменение электрического сопротивления. Конструкция эксперимента QROCODILE, включающая сверхпроводящие микропровода и тонкую планарную геометрию, повышает его чувствительность к направленности, что является важным фактором в различении истинных сигналов темной материи от фонового шума.