Учёные предложили новый метод обнаружения относительно лёгких частиц тёмной материи, недоступных для текущих экспериментов. Центральным элементом в схеме является резервуар со сверхтекучим гелием-4. Статья с описанием метода была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Несмотря на то, что гипотеза тёмной материи является общепризнанной в физике с 1980-х годов, её природа до сих пор остаётся загадкой. Одно из предположений заключается в том, что она состоит из неизвестных пока науке экзотических частиц. Есть несколько теорий, что это могут быть за частицы и уже много лет идёт их поиск различными методами, однако до сих пор все поиски оказывались безрезультатными.
Одним из самых популярных кандидатов в частицы тёмной материи являются так называемые вимпы (англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particles). Сейчас в мире есть порядка десятка более-менее крупных установок, на которых эти частицы пытаются поймать. Однако все они рассчитаны на то, что вимпы имеют массу больше 10 ГэВ (для сравнения масса протона — около 1 ГэВ).
В то же время, в принципе вимпы могут иметь и меньшую массу. В свежей статье группа учёных из Брауновского университета предложила модель детектора для обнаружения таких лёгких вимпов. В перспективе он позволит поднять чувствительность наблюдений для соответствующих масс в тысячи раз.
Основой детектора являются атомы гелия-4 — очень лёгкого и при этом в высокой степени инертного элемента. Малая масса гелия-4 позволит ему испытывать заметную отдачу при столкновении с лёгкими вимпами, а инертность уменьшит вероятность ложно-положительных сигналов.
При взаимодействии вимпа с атомом гелия по задумке в жидкости будут возбуждаться колебательно-вращательные колебания. В сверхтекучей жидкости эти колебания будут распространяться в виде волн без затухания и, достигнув поверхности, приведут к квантовому испарению атомов гелия.
Такой метод предлагался около 10 лет назад для детектирования нейтрино, однако тогда не удалось придумать надёжного способа засечь отдельные вылетающие атомы гелия.
Новизна нового метода заключается именно в этом. Учёным удалось придумать, как поймать даже один отдельный атом гелия, вылетевший из жидкости. Трюк заключается в том, чтобы увеличить энергию вылетевшего атома, ускорив его, а затем послать на калориметр, который засечёт выделение тепла.
Для ускорения атомов гелия учёные предлагают расположить вблизи поверхности жидкости положительно заряженные тонкие металлические иглы. Сильное электрическое поле на их кончиках ионизирует атом гелия и ускорит образовавшийся ион, послав его на катод с достаточно большой для детектирования энергией.
По оценкам этот метод обладает чувствительностью в 10 000 раз выше, чем любой из способов, предложенных ранее. Это позволит обнаружить вимпы с массой всего лишь 0,6 МэВ, что практически равно массе электрона.