“Сенсей” шукає сліди легкої темної матерії

Технологія, запропонована 30 років тому для пошуку темної матерії, нарешті отримала новий шанс.

У проекті під назвою SENSEI вчені використовують інноваційні сенсори, які розроблялися протягом трьох десятиліть, для пошуку найлегших частинок темної матерії. Досі, нікому не вдавалося вловити ці частинки через їхні властивості.

Темна матерія

Темна матерія має таку назву через те, що вона ніяким чином не поглинає, не віддзеркалює та не випромінює світло. Вона складає 27% Всесвіту, але наукове “журі” досі гадки не має, з чого вона зроблена.

Космічна структура темної матерії довжиною 500 млн світлових років. На перехрестях рукавів темної матерії жовтим показані скубчення галактик – галактичні кластери. Модель SLAC National Accelerator Laboratory

Пріоритетним теоретичним підозрюваним на роль головного компонента темної матерії залишається слабо взаємодіюча важка частинка (WIMP).

Однак жодна така важка частинка з очікуваною масою – у 100 разів більше маси протона, так і не з’явилась під час експериментів. І це може вказувати на те, що дослідникам варто почати думати масштабніше.

“Існує зацікавленість у пошуку різних типів темної матерії, які є додатками до стандартної WIMP-моделі”

– каже Хав’єр Тіффенберг, дослідник Національної лабораторії прискорювача Фермі США та лідер команди SENSEI –

 “Легка, або темна матерія з малою масою, є дуже переконливою можливістю, і вперше ми маємо технологію для дослідження цих кандидатів.”

Будівля Fermilab у штаті Іллінойс. Автор: Alan Amati

Відчути невидиме з SENSEI

У традиційних експериментах з пошуку темної матерії науковці шукають будь-які ознаки передачі енергії, яка може виникнути під час контакту частинок темної матерії з ядрами матерії звичайної. Але з “Сенсеєм” все інакше – він шукає ознаки зіткнення частинок темної матерії з електронами.

“Це дуже велика різниця – ви отримуєте у цьому випадку набагато більше переданої енергії, оскільки електрон значно легший у порівнянні з ядром.”

– зазначає Тіффенберг.

Якби маса темної матерії була малою – значно меншою, ніж передбачає WIMP-модель, – тоді вона була б у багато разів легшою за атомне ядро. Тож, якби це було зіткнення з ядром, кінцева передача енергії була б занадто малою, щоби нам щось розповісти. Це було б схоже на кидання м’ячика для пінг-понгу у валун: важкий об’єкт нікуди не зрушив би, і не було б ніяких ознак того, що вони взаємодіяли.

Електрон геть не такий важкий у порівнянні з атомним ядром. До прикладу, один протон має масу у 1836 разів більшу за масу електрона. Отже, зіткнення частинки темної матерії малої маси з електроном має більше шансів залишити сліди. Це вже буде більше схоже на зіткнення з кулею для боулінгу, а не брилою.

На правду, кулі для боулінгу теж не дуже легкі. Науковці знають, що зіткнення частинки темної матерії з електроном залишить дуже слабкий енергетичний сигнал, можливо, занадто слабкий для більшості детекторів, який також буде приховувати випадковий шум у даних.

“Куля для боулінгу посунеться зовсім трохи.”

– пояснює Хуан Естрада, дослідник Fermilab та член команди SENSEI –

“Вам знадобиться дуже чутливий детектор, щоби побачити взаємодію цих легких частинок з дечим, що є значно важчим.”

Ось, де у гру вступають чутливі сенсори SENSEI.

Магістральна матриця

“Сенсей” буде використовувати магістральні прилади з зарядовим зв’язком або ПЗЗ. ПЗЗ-матриці активно використовувались і в інших проектах з пошуку темної матерії, зокрема у проекті DAMIC (Канада) та Dark Energy Camera (Чилі).

Зазвичай, ПЗЗ являють собою кремній, розділений на пікселі. Коли частинка темної матерії проходить через матрицю ПЗЗ, вони зіштовхуються з електронами кремнію та вивільняє їх. Таким чином, у кожному пікселі, через який пройшли вільні електрони, залишається чистий електричний заряд. Потім електрони пробігають через сусідні пікселі, і фіксуються на виході окремим пристроєм як електричний струм. Останній відраховує електрони, які надійшли з кожного пікселя матриці у ланцюговій реакції.

SENSEI
ПЗЗ матриця детектора SENSEI. Джерело: Javier Tiffenberg

Такі пристрої дозволяють вченим дізнатися про масу та енергію частинки, яка взяла участь у ланцюговій реакції всередині матриці. Якщо це буде масивна частинка WIMP, вона вивільнить цілу купу електронів, а легка частинка – один або два.

Традиційні ПЗЗ здатні виміряти заряд, який утворився, лише раз. Це створює труднощі для визначення того, чи був незначний сигнал від одного-двох електронів реальним, чи це була похибка.

Магістральні ПЗЗ – це технологія нового покоління, яка дозволяє позбутися недоліків вимірювання, коли справа стосується слабких сигналів з одним-двома електронами.

“Великий крок магістральних ПЗЗ полягає у тому, що ми можемо вимірювати цей заряд стільки раз, скільки нам потрібно.”

– пояснив Тіффенберг.

Заряд, який утворився всередині ПЗЗ, можна знімати багато разів, а потім усереднювати. Цей метод надає більш точне вимірювання заряду, який накопичився у кожному пікселі у порівнянні з традиційним підходом: вимірювання та фініш. Працює просте правило статистики: чим більше даних ви збираєте, тим ближче ви до істинного значення фізичної величини.

Дослідники з проекту SENSEI також користуються головною перевагою магістральних ПЗЗ. Вони можуть вільно вимірювати кількість електронів у кожному пікселі матриці близько 4000 разів.

“Це проста ідея, але її реалізація зайняла у нас 30 років.”

– каже Естрада.

Від ідеї до реальності та далі

Зараз на глибині понад 100 м під землею у Fermilab працює один з прототипів SENSEI, і ця система вже показала, що вона буде ефективно полювати на темну матерію.

SENSEI та магістральні ПЗЗ були реалізовані завдяки декільком дослідницьким установам, зокрема Національній лабораторії ім. Лоуренса в Берклі, а також Лабораторії прямих досліджень та розробки (Fermilab).

“SENSEI дуже класний, але що дійсно вражає, так це магістральні ПЗЗ, які зроблять можливою роботу наукових інструментів SENSEI та інших застосунків.”

– додав Естрада –

“Астрономічні дослідження обмежені точністю їхніх експериментальних вимірів, якщо вони матимуть сенсори без шуму це буде еквівалентно створенню більшого телескопа – більш чутливого.”

Технологія SENSEI також здатна віднайти четвертий тип нейтрино – стерильних нейтрино, які видаються навіть сором’язливішими за три інших типи з їхньої родини.

Науковці обіцяють, що протягом року буде розгорнуто більший детектор SENSEI з більшою кількістю матриць ПЗЗ. Існує два варіанти розвитку подій: або дослідники не знайдуть геть нічого та повернуться до дошки для креслень, щоби заново розробити інструменти для пошуку темної матерії, або “Сенсей” вступить у перший контакт з темною матерією. Це було б “сенсеційно”.

Джерело: Symmetry Magazine

The post “Сенсей” шукає сліди легкої темної матерії appeared first on Science Ukraine.

Місія онлайн-видання Science Ukraine є амбітною та, водночас, важливою для всього суспільства – змінити уявлення про науково-популярну журналістику в Україні; ми створюємо сучасне українське науково-популярне медіа. Ми не абстрагуємось на поверхневій інформації зі ЗМІ, а формуємо та об’єднуємо джерела. Ми навчаємось та навчаємо.

Updated: 19.09.2017 — 13:15
2012 - 2018 © Іменка - RSS новини з сайтів України | Підтримка: Діал інформаційна система | Двигунець: Wordpress | Тема: Frontier