Детектор MINER применяется для поиска низкоэнергетических нейтрино на реакторе TRIGA в Техасском университете A&M. Этот сапфировый детектор способен не только обнаруживать реакторные нейтрино, но и участвовать в поиске тёмной материи, что может привести к открытиям в области новой физики и способствовать контролю ядерного нераспространения.

Загадки Вселенной: тёмная материя и энергия

Несмотря на значительный прогресс в изучении космоса, современное научное знание охватывает лишь малую часть всей картины. Около 95% Вселенной состоит из тёмной материи и тёмной энергии, тогда как привычная нам материя занимает всего 5%. Доктор Рупак Махапатра, экспериментальный физик-частичник из Техасского университета A&M, работает над раскрытием этой скрытой части, разрабатывая передовые полупроводниковые детекторы с криогенными квантовыми сенсорами. Эти технологии поддерживают эксперименты по всему миру и помогают учёным глубже проникать в одну из величайших загадок науки.

Махапатра сравнивает ограниченное понимание человечеством Вселенной с известной притчей: «Это как пытаться описать слона, ощупывая только его хвост. Мы чувствуем нечто огромное и сложное, но воспринимаем лишь малую часть». Недавно его работа и исследования коллег были опубликованы в престижном журнале Applied Physics Letters.

Что такое тёмная материя и тёмная энергия?

Тёмная материя и тёмная энергия получили свои названия из-за того, что о них известно крайне мало. Тёмная материя составляет основную массу галактик и их скоплений, играя ключевую роль в формировании их структуры на огромных космических расстояниях. Тёмная энергия — это сила, ответственная за ускоряющееся расширение Вселенной. Проще говоря, тёмная материя действует как космический клей, а тёмная энергия заставляет пространство расширяться всё быстрее.

Хотя обе составляющие чрезвычайно распространены, ни тёмная материя, ни тёмная энергия не излучают, не поглощают и не отражают свет, что делает их прямое наблюдение крайне сложным. Учёные изучают их влияние через гравитацию, определяющую движение галактик и формирование крупных структур. Тёмная энергия составляет около 68% всей энергии Вселенной, а тёмная материя — примерно 27%.

Детекторы для поиска невидимого

Работу группы Махапатры в Техасском университете A&M можно сравнить с попыткой уловить «шёпот в урагане» — их детекторы обладают исключительной чувствительностью. Эти приборы предназначены для регистрации частиц, которые крайне редко взаимодействуют с обычной материей, и такие взаимодействия могут дать ключ к разгадке природы тёмной материи.

«Проблема в том, что тёмная материя взаимодействует настолько слабо, что нам нужны детекторы, способные зафиксировать события, которые могут происходить раз в год или даже раз в десятилетие», — отмечает Махапатра. Его команда принимала участие в ведущем мировом поиске тёмной материи с помощью детектора TESSERACT. «Всё дело в инновациях. Мы ищем способы усилить сигналы, которые раньше терялись в шуме». Техасский университет A&M входит в небольшую группу учреждений, участвующих в экспериментах TESSERACT.

Продвижение границ науки

Современные усилия Махапатры основаны на десятилетиях опыта в совершенствовании методов регистрации частиц. За 25 лет он участвовал в эксперименте SuperCDMS, который проводил одни из самых чувствительных поисков тёмной материи в мире. В знаковой статье 2014 года, опубликованной в Physical Review Letters, Махапатра и его коллеги представили метод калориметрического ионизационного детектирования с помощью напряжения в эксперименте SuperCDMS. Этот прорыв позволил изучать низкомассивные WIMP — одного из главных кандидатов на роль тёмной материи, значительно расширив возможности учёных по обнаружению ранее недоступных частиц.

В 2022 году Махапатра стал соавтором ещё одного исследования, в котором рассматривались различные подходы к поиску WIMP, включая прямое и косвенное обнаружение, а также эксперименты на коллайдерах. Работа подчёркивает важность сочетания разных стратегий для решения проблемы тёмной материи.

«Ни один эксперимент не даст нам всех ответов, — говорит Махапатра. — Нам нужна синергия между разными методами, чтобы сложить полную картину».

Почему это важно

Понимание тёмной материи выходит далеко за рамки академического интереса — оно может раскрыть фундаментальные принципы, управляющие самой Вселенной. «Если мы сможем обнаружить тёмную материю, мы откроем новую главу в физике, — считает Махапатра. — Для поиска нужны чрезвычайно чувствительные технологии, и это может привести к открытиям, которые мы даже не можем сейчас представить».

Что такое WIMP?

WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы) считаются одной из самых перспективных гипотез для объяснения тёмной материи. Эти гипотетические частицы взаимодействуют через гравитацию и слабое ядерное взаимодействие, что объясняет их трудную обнаружимость.

Почему это важно

Если WIMP существуют, они могут объяснить недостающую массу Вселенной.

Как ведутся поиски

Эксперименты, такие как SuperCDMS и TESSERACT, используют ультрачувствительные детекторы, охлаждённые почти до абсолютного нуля, чтобы зафиксировать редкие взаимодействия между WIMP и обычной материей.

Основная сложность

WIMP могут проходить сквозь Землю, не оставляя никаких следов, поэтому исследователям могут понадобиться годы данных, чтобы зафиксировать хотя бы одно событие.