Часть 11-14
Перспективные проекты поиска темной материи
Содержание
(том – часть – глава)
11-14-1. Сверхпроводники помогут в поиске легких частиц темной материи
11-14-2. «Яркие искры» прольют новый свет на природу темной материи
11-14-3. «Радио для темной материи» поможет найти темные фотоны
11-14-4. Жидкий гелий поможет найти легкую темную материю
11-14-5. Прецессия спина электрона поможет найти аксионы
11-14-6. Гравитационное излучение черных дыр поможет найти ультралегкие частицы темной материи
11-14-7. Темную материю предложили ловить сверхпроводящими нанопроводами
11-14-8. Темную материю предложили искать с помощью «снежковой камеры»
11-14-9. Поляризация света протопланетных дисков укажет на аксионы
11-14-10. Гравитационные интерферометры попытаются поймать легкие частицы темной материи
11-14-11. Аксионы предложили поискать экспериментом с лазерными пучками
11-14-12. Эксперимент DALI: в поисках аксиона, предполагаемой частицы темной материи
11-14-13. Аксионы могут дать начало новой «археологии» Вселенной
Глава 11-14-1
Сверхпроводники помогут в поиске легких частиц темной материи
Май 2015
Американские физики предложили новую идею эксперимента по поиску легких частиц темной материи, которая сможет расширить доступную проверке область масс на 4-5 порядков. Частицы темной материи, пронзая детектор насквозь, изредка сталкиваются с ядрами рабочего вещества и передают им часть своей энергии. Детектор регистрирует энерговыделение и тем самым фиксирует событие. Их статья выложена в архиве препринтов arxiv.org.
Астрофизические данные показывают, что во Вселенной, помимо обычного вещества (звезд, планет, газопылевых облаков) имеется много темной материи. Она состоит из частиц нового, неизвестного сорта, которые физики безуспешно пытаются зарегистрировать. Стандартный эксперимент по прямому детектированию частиц темной материи выглядит так. Темная материя заполняет собой нашу галактику, и все объекты в ней, включая Землю, как бы «продираются» сквозь встречный поток частиц темной материи. Из-за мизерной вероятности взаимодействия частиц темной материи с веществом мы этот поток не замечаем. Он «дует» и сквозь установленный под землей детектор, заэкранированный от посторонних воздействий. И лишь очень редко какая-то частица темной материи сталкивается с атомом в глубине большого детектора и передает ему небольшую энергию. Если детектор достаточно чувствителен, он сможет это энерговыделение измерить и зарегистрировать событие. Задача экспериментатора — обнаружить хоть один достоверный акт такого столкновения.
Такой метод поиска особенно чувствителен к частицам темной материи с массой, примерно равной массе атомного ядра, то есть около нескольких десятков гигаэлектронвольт. При поиске более легких частиц, с массой меньше массы протона, детектор уже «слепнет». Главная причина здесь — порог чувствительности датчиков. Легкая частица темной материи обладает маленькой кинетической энергией, да еще и передает атому при столкновении лишь мизерную ее часть. Поэтому, несмотря на десятилетия поисков, огромный диапазон на шкале масс частиц темной материи ниже массы легких ядер остается практически непроверенным, хотя теоретически он вполне разрешен.
В статье предлагается создать детектор нового типа, который будет чувствителен к частицам темной материи легче электрона. Основывается эта методика на явлении сверхпроводимости. Удар легкой частицы темной материи непосредственно по электрону (а не по атомному ядру) приведет к выделению энергии меньше одного электронвольта. В сверхпроводнике тогда возникнет долгоживущее возбуждение, которое будет зарегистрировано чувствительным датчиком.
Авторы оценили ожидаемый темп регистрации частиц темной материи разных масс и продемонстрировали, что если этот метод будет реализован, он единым махом расширит доступный исследованиям диапазон на несколько порядков. Конечно, от этой общей схемы и до работающего прототипа лежит длинный путь. Однако авторы статьи надеются, что сам факт принципиальной возможности протестировать легкие частицы темной материи послужит хорошим стимулом для развития технологии.
nplus1, 14 мая 2015, Игорь Иванов
https://nplus1.ru/news/2015/05/14/superconductordarksearch
Архив препринтов arxiv.org.
http://arxiv.org/abs/1504.07237
Глава 11-14-2
«Яркие искры» прольют новый свет на природу темной материи
Февраль 2016
Ученые продвинулись на шаг вперед на пути к обнаружению легких элементарных частиц темной материи, благодаря сверхвысокочувствительному детектору. Две статьи, описывающие эти научные результаты, опубликованы в свежем номере журнала European Physical Journal C.
В новом исследовании ученые европейского научного проекта CRESST-II используют так называемый метод «фононового свечения» для обнаружения темной материи. В своей работе исследователи впервые использовали инновационный детектор с настолько низким порогом срабатывания, что он может обеспечить чувствительность, требуемую для обнаружения прежде не уловимых частиц темной материи.
Экспериментальное обнаружение частиц темной материи напоминает по форме изучение столкновения бильярдных шаров, так как при этом происходит рассеяние частицы темной материи на ядре атома. Этот метод обнаружения частиц темной материи основан на явлении нагрева за счет столкновений кристалла вольфрамата кальция (CaWO4).
Проблема при таком методе исследования состоит в том, что чем легче частица, тем меньше накопленной энергии остается в кристалле после столкновения. Поэтому беспрецедентная чувствительность детектора CRESST-II делает его уникальным инструментом для обнаружения частиц темной материи.
Astronews, 2 февраля 2016
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=8181
Проект CRESST-II
Глава 11-14-3
«Радио для темной материи» поможет найти темные фотоны
Октябрь 2017
Группа экспериментаторов из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработала прототип устройства, предназначенного для детектирования волн темной материи. Это устройство, работающее по принципу радиоприемника, нацелено на поиск частиц темной материи небольшой массы — в первую очередь так называемых темных фотонов и аксионов. О разработке сообщает Symmetry Magazine.
Все существующие детекторы построены в надежде засечь редкое столкновение частицы темной материи с частицей детектора. Но такой подход сработает только если темные частицы имеют достаточно большую массу, и их энергии хватит, чтобы столкновение удалось засечь.
Принцип работы нового устройства, которое авторы называют «радио для темной материи», основан на явлении корпускулярно-волнового дуализма — фундаментального свойства нашего мира, согласно которому все элементарные частицы проявляют также и волновые свойства. Например, фотон является частицей света, но поток фотонов обычно воспринимается как электромагнитная волна — в зависимости от его частоты это может быть свет, СВЧ-излучение, радиосигнал и так далее. Но фотон это все же частица, поскольку попадая на детектор, он всегда вызывает один четкий щелчок, а не нечто «размазанное» в пространстве или времени.
Разработанный прибор будет вести поиски двух конкретных кандидатов в частицы темной материи: темных фотонов и аксионов. Темные фотоны — это гипотетические аналоги привычных нам фотонов, но принадлежащие так называемому темному или скрытому сектору частиц — группе частиц, появляющейся в многочисленных расширениях Стандартной модели элементарных
