Упоминанием темной материи нынче никого не удивишь: исследования космоса зафиксировали, что в общей массе Вселенной это загадочное вещество, проявляющееся только в гравитационном взаимодействии, составляет примерно 25%, тогда как обычная, состоящая из барионов материя — всего 5%. Остальное — темная энергия, некая теоретическая величина, описывающая постоянное расширение Вселенной.
Для физиков темная материя — одна из главных загадок. Поскольку она недоступна прямому наблюдению, ученые предполагают, что темная материя может состоять из пока неизвестных элементарных частиц, взаимодействия которых с частицами известными чрезвычайно слабые. Регистрация таких сигналов требует особых условий проведения экспериментов: нужно место, полностью защищенное от космического излучения. Таких в мире немного. Одно из самых известных — итальянская лаборатория в пещере под горой Гран-Сассо, где более 10 лет ведется набор данных с помощью детектора DarkSide-50. С 2015 года в международной коллаборации участвует объединенная группа исследователей из Института ядерной физики СО РАН и Новосибирского государственного университета.
В экспериментах по прямому поиску темной материи используются специальные детекторы на основе благородных газов — аргона и ксенона. Это криогенные двухфазные детекторы, где жидкость служит мишенью для частиц темной материи. При взаимодействии с мишенью эти частицы вызывают физические процессы, приводящие к свету и ионизации. Ионизирующее излучение регистрируется в виде электролюминесцентного сигнала. На прототипе двухфазного детектора на основе жидкого аргона в ИЯФ СО РАН ученые зафиксировали в таком сигнале необычные медленные компоненты, с усилением электрического поля их число возрастало.
«Что это за эффект, никто не знает, — отметил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Алексей Бузулуцков. — В экспериментах DarkSide при низких энергиях также наблюдаются странные, пока необъяснимые эффекты. Они возникают не только в аргоновых, но и в ксеноновых детекторах и зависят от электрического поля. Возможно, это результат задержек электронов ионизации на метастабильных состояниях атомов при регистрации частиц».
Сегодня физики пытаются выяснить природу необычных медленных компонент и описать ее, построив теоретическую модель. Для этого необходимо провести еще несколько экспериментов. Затем явление предполагается включить в теоретическую модель эксперимента DarkSide.
В эксперименте вместе с итальянским Национальным институтом ядерной физики (INFN) участвуют исследовательские организации из Бразилии, Испании, Италии, Китая, Польши, США, Франции и России. Прототип двухфазного детектора изготовлен в ИЯФ специально для этого проекта. Объем камеры составляет 10 литров, а стандартный детектор по поиску темной материи рассчитан на 100 литров. Благодаря сравнительно малым габаритам новосибирского детектора можно быстро менять его конфигурацию. Это позволяет физикам оперативно подстраиваться под задачи эксперимента и проводить исследования на мировом уровне.
«Сегодня в мире насчитывается больше десятка экспериментов по прямой регистрации частиц темной материи, — добавил Бузулуцков. — Будущее в этом направлении науки — за двухфазными детекторами, в частности, аргоновыми. Сейчас в Италии строится фабрика по производству обедненного аргона, очищенного от радиоактивных примесей, и реализуется проект DarkSide-20k. Это детектор, в котором используются 20 тонн жидкого аргона в активной области. К концу текущего десятилетия планируется увеличить этот объем до 400 тонн. Скорее всего, все детекторы по поиску темной материи объединятся в одну глобальную коллаборацию. И мы в ее составе продолжим развивать свой сегмент».
Ольга КОЛЕСОВА
Фото Юлии Клюшниковой, ИЯФ СО РАН
Нет комментариев