Швейцарські науковці запропонували революційний підхід до пошуку темної матерії, що змінює майбутнє фізики

Вчені з Університету Цюриха та Єврейського університету в Єрусалимі повідомили про рекордну чутливість у пошуку легких частинок темної матерії. Їхній експеримент QROCODILE (Quan­tum Res­o­lu­tion-Opti­mized Cryo­genic Obser­va­to­ry for Dark mat­ter Inci­dent at Low Ener­gy) відкрив новий рівень точності у вивченні цього явища, використовуючи надпровідні детектори, охолоджені до температур, близьких до абсолютного нуля.

Темна матерія, яка становить близько 85% маси Всесвіту, залишається невидимою для традиційних методів спостереження. Вона не випромінює і не поглинає світло, а її існування визначають лише за гравітаційним впливом на космічні структури. Попри десятиліття досліджень, прямого спостереження частинок темної матерії досі немає.

QROCODILE застосовує надпровідні нанодротові детектори, здатні реєструвати енергетичні відкладення величиною лише 0,11 електронвольта — у мільйони разів менші за ті, що зазвичай фіксують у фізиці частинок. Це дозволяє вперше перевіряти гіпотези про надлегкі частинки темної матерії, маса яких значно менша за межі, досліджені попередніми експериментами.

НАУКОВЕ ПОЯСНЕННЯ: Експеримент QROCODILE. Зліва: експериментальна установка. Детектор встановлений в тримач зразка з безкисневої міді, вирівняний по світловому пучку квантово-каскадного лазера (ККЛ). Початкова потужність ККЛ значно знижена фільтром нейтральної щільності (ФНП). Детектор живиться від високоточного і малошумного джерела постійного струму. Т‑подібний зміщувальний резистор розділяє сигнали постійного струму і РЧ-сигнал від детектора. ВЧ-сигнал потім підсилюється малошумним підсилювачем (МШУ) для зчитування через лічильник імпульсів. Вставка: схематичний опис детекторного стека. SEM-зображення представляє SNSPD у формі меандру з масштабною лінійкою 18 мкм. Праворуч: нормалізована швидкість рахунку залежно від струму зміщення, що подається на наш детектор SNSPD при опроміненні фотонами з довжиною хвилі 5 мкм і 11 мкм. Джерело: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/4hb6-f6jl

Під час понад 400 годин спостережень при наднизьких температурах зафіксовано кілька незрозумілих сигналів. Хоча вони не підтверджують наявність темної матерії й можуть бути спричинені фоновим випромінюванням або космічними променями, результати вже встановили нові світові обмеження на взаємодію темної матерії з електронами та ядрами.

Експеримент також має потенціал визначати напрямок походження частинок, що є ключовим для перевірки їх існування. За словами професорки Йоніт Гохберг, вперше отримано реальні обмеження для особливо легких частинок темної матерії — це важливий крок до масштабних експериментів із прямим виявленням.

Детектор експерименту QROCODILE. Джерело: https://physics.aps.org/articles/v18/s104

Наступна фаза проєкту, NILE QROCODILE, передбачає перенесення установки у підземну лабораторію для захисту від космічних променів, подальше зниження енергетичних порогів і збільшення кількості детекторів. Це має поглибити дослідження природи темної матерії та потенційно забезпечити її пряме спостереження.