Новая стратегия, которая разработана, чтобы обнаружить взаимодействия между частицами темной материи и коробкой с супержидким гелием, была бы чувствительна к частицам в намного более низком массовом диапазоне, чем возможно с любым крупномасштабным пробегом экспериментов до сих пор, говорят исследователи.«Большинство крупномасштабных поисков темной материи до сих пор искало частицы с массой где-нибудь между 10 и 10,000 раз массой протона», сказал Дерек Стайн, физик, который создал в соавторстве работу с двумя из его коллег Университета Брауна, Хамфри Мэриса и Джорджа Сейделя. «Ниже 10 протонных масс эти эксперименты начинают терять свою чувствительность. То, что мы хотим сделать, расширяют чувствительность вниз в массе на три или четыре порядка величины и исследуют возможность частиц темной материи, которые намного легче».Работа, описывающая новый датчик, опубликована в Physical Review Letters.
Пропавшие без вести вопросаХотя это еще не было обнаружено непосредственно, физики вполне уверены, что темная материя должна существовать в некоторой форме. Путь, которым галактики вращаются и степень, до которой сгибается свет, когда это едет через вселенную, предполагает, что есть некоторый невидимый материал, бросающий его силу тяжести вокруг.Ведущая идея для природы темной материи состоит в том, что именно некоторая частица, хотя тот взаимодействует очень редко с обычным вопросом.
Но никто не совершенно уверен, чем темной материей могли бы состоять в том свойства частицы, потому что никто еще не сделал запись одного из тех редких взаимодействий.Было серьезное основание, Стайн говорит, чтобы искать в массовом диапазоне, где большинство экспериментов темной материи сосредоточилось к настоящему времени.
Частица в том массовом диапазоне связала бы много свободных теоретических концов. Например, теория суперсимметрии – идея, что все общие частицы мы знаем и любовь, скрылась, частицы партнера – предсказывает кандидатов темной материи заказа сотен протонных масс.Но у неявки тех частиц в экспериментах до сих пор есть некоторые физики, думающие о том, как посмотреть в другом месте. Это принудило теоретиков предлагать модели, в которых у темной материи была бы намного более низкая масса.
Новый подходСтратегия обнаружения, которую придумали исследователи Брауна, включает коробку с супержидким гелием. Идея состоит в том, что частицы темной материи, проходящие через ванну, в очень редких случаях, должны иметь привкус в ядро атома гелия. То столкновение произвело бы фононы и rotons – крошечные возбуждения, примерно подобные звуковым волнам – которые размножаются без потери кинетической энергии в супержидкости.
Когда те возбуждения достигнут поверхности жидкости, они заставят атомы гелия быть выпущенными в вакуумное пространство выше поверхности. Обнаружение тех выпущенных атомов было бы сигналом, что взаимодействие темной материи произошло в ванне.
«Последний бит – хитрая часть», сказал Мэрис, который работал над подобными основанными на гелии схемами обнаружения других частиц как солнечные нейтрино. Столкновение частицы темной материи малой массы могло бы привести к только единственному атому, выпускаемому от поверхности. Тот единственный атом нес бы только приблизительно один миллиэлектрон-вольт энергии, делая фактически невозможным обнаружить через любые традиционные средства. Новинка этой новой схемы обнаружения – средство усилить это крошечное, энергетическая подпись единственного атома.
Это работает, производя электрическое поле в вакуумном космосе выше жидкости, используя множество маленьких, положительно заряженные металлические булавки. Поскольку атом, выпущенный от поверхности гелия, тянет близко к булавке, положительно заряженный наконечник украдет электрон из него, создавая положительно заряженный ион гелия.
То, что недавно созданный положительный ион был бы в непосредственной близости от положительно заряженной булавки, и потому что одноименные заряды отражают друг друга, ион отлетит с достаточным количеством энергии быть легко обнаружимым стандартным калориметром, устройством, которое обнаруживает изменение температуры, когда частица сталкивается с ним.«Если мы помещаем 10 000 В на те небольшие булавки, тогда то движение иона собирается улететь с 10 000 В на нем», сказал Мэрис. «Таким образом, это – эта особенность ионизации, которая дает нам новый способ обнаружить просто единственный атом гелия, который мог быть связан со взаимодействием темной материи».Чувствительный в малой массе
Этот новый вид датчика не был бы первым, чтобы использовать коробку с жидкой газовой идеей. Недавно законченный Large Underground Xenon (LUX) экспериментирует и его преемник, ЛЮКС-ZEPLIN, обе коробки использования с ксеноновым газом. Используя гелий вместо этого обеспечивает важное преимущество в поиске частиц с более низкой массой, говорят исследователи.
Для столкновения, чтобы быть обнаружимыми, поступающая частица и целевые атомные ядра должны иметь совместимую массу. Если бы поступающая частица намного меньше в массе, чем целевые ядра, любое столкновение привело бы к частице, просто подпрыгивающей прочь, не оставляя след. Так как ЛЮКС и L-Z предназначены для обнаружения частиц с массой, больше, чем в пять раз больше чем это протона, они использовали ксенон, у которого есть ядро приблизительно 100 протонных масс.
У гелия есть ядерная масса только в четыре раза больше чем это протона, делая более совместимую цель частиц с намного меньшей массой.Но еще более важный, чем легкая цель, исследователи говорят, способность новой схемы обнаружить только единственный атом, испаренный от поверхности гелия. Такая чувствительность позволила бы устройству обнаружить крошечные суммы энергии, депонированной в датчике частицами с очень маленькими массами. Команда Брауна думает, что ее устройство было бы чувствительно к массам вниз к приблизительно дважды массе электрона, примерно в 1 000 – 10 000 раз легче, чем частицы, обнаружимые в крупномасштабных экспериментах темной материи до сих пор.
Стайн говорит, что первые шаги в фактическом делании такого датчика реальностью будут фундаментальными экспериментами, чтобы лучше понять аспекты того, что происходит в супержидком гелии и точной динамике схемы ионизации.«Из тех фундаментальных экспериментов», говорит Стайн, «мы обработали бы проекты для большего и более полного эксперимента темной материи».
Исследование финансировалось частично Национальным научным фондом (DMR-1505044).