SENSEI в погоне за лёгкой тёмной материей

Технология, предложенная 30 лет назад для поиска тёмной материи, наконец-то увидела свет.

Учёные построили новый тип детектора для тёмных частиц. Проект, получивший названия SENSEI, основан на инновационных сенсорах, называемых Skipper CCD (CCD расшифровывается как Сharge-Сoupled Devices, по-русски их называют ПЗС-матрицами). Он будет вести поиск самых лёгких гипотетических частиц, составляющих тёмную материю.

Внешний вид Skipper CCD. © Javier Tiffenberg

Тёмная материя — названная так, поскольку она не поглощает, не отражает и не преломляет свет — по современным оценкам составляет 27 % общей массы Вселенной, однако её природа до сих пор неизвестна. Это связано с тем, что если частицы тёмной материи и существуют, то очень слабо взаимодействуют с частицами привычного нам мира.

Наиболее популярными кандидатами на роль частиц тёмной материи являются так называемые вимпы (от английского WIMP — Weakly Interacting Massive Particles), относительно тяжёлые (в 100 раз тяжелее протона) частицы, взаимодействующие с обычными частицами через слабое ядерное взаимодействие.

На поиск вимпов направлено сразу несколько довольно крупных проектов, но до сих пор все их попытки поймать какой-нибудь сигнал были тщетны. В связи с этим наблюдается рост интереса в другим альтернативам, в частности, к гипотетическим частицам с очень малой массой.

Засечь, однако, столкновение лёгкой частицы с частицей детектора намного сложнее, но именно это планируют сделать при помощи SENSEI.

Традиционно при поиске частиц тёмной материи учёные надеются засечь столкновение тёмной частицы с ядром. Но ядра имеют довольно большую массу, и поэтому могут «не замечать» лёгкие частицы — подобно тому, как шар для боулинга невозможно заметно сдвинуть, обстреливая его мячиками для пинг-понга. Поэтому в SENSEI будут изучать столкновения со значительно более лёгкими электронами.

Правда, скорее всего даже электрон для лёгких частиц тёмной матери может показаться «огромной глыбой». Поэтому ожидается, что в результате столкновения энергия электрона изменится весьма незначительно — так что для большинства существующих детекторов это окажется за пределами чувствительности. Но в SENSEI будут использованы самые чувствительные детекторы из всех созданных, поэтому этого проекта самые большие шансы обнаружить хотя бы что-то.

ПЗС-матрицы используются и в других экспериментах по поиску тёмной материи, например в DAMIC, который проводится в SNOLAB в Канаде. Там используются матрицы, разработанные в ходе создания чилийской Dark Energy Camera и других экспериментов по поиску тёмной энергии (а не материи).

ПЗС-матрицы обычно делаются из кремния, разделённого на отдельные пиксели. По задумке, когда частица тёмной материи проходит сквозь матрицу, она может столкнуться с электроном в одном из атомов кремния, выбив его из атома и создав тем самым электрический заряд в пикселе. Электроны затем попадают в соседние пиксели и создают ток, текущий вдоль матрицы. Подсчитав величину такого тока, можно определить количество выбитых электронов и оценить энергию и массу пролетевшей частицы. От вимпа возникнет целая лавина электронов, но от лёгких тёмных частиц может родиться всего один или два.

Обычно ПЗС-матрицы могут измерить возникший заряд только единожды, что осложняет возможность понять, действительно ли это пролетела частица, или это просто случайный выброс электрона.

В Skipper CCD использована технология нового поколения, которая позволяет побороть эту неопределённость даже для событий на уровне вырывания одного или двух электронов. Это достигается за счёт того, что величина заряда в пикселе ПЗС-матрицы измеряется не один раз, а столько, сколько требуется.

В SENSEI учёные измеряют количество возникших электронов в единичном пикселе 4000 раз, а потом проводят усреднение. Это значительно снижает уровень измерительных шумов и делает сигнал более чистым.

Идея вроде бы простая, но технически её смогли реализовать только через 30 лет после того, как она была предложена.

Небольшой прототип установки SENSEI сейчас запущен в Фермилаб в помещении на глубине около 120 м под землёй. Его задача — продемонстрировать работоспособность концепции.

Внешний вид прототипа © Reidar Hahn

У SENSEI помимо лёгких частиц тёмной материи будет и ещё одна цель — гипотетический четвёртый тип нейтрино, называемый стерильным. По своим свойствам он очень похож на обсуждавшиеся выше частиц: он также чрезвычайно лёгок, и также взаимодействует с обычными частицами только через слабые ядерные силы, но он не является частью тёмного сектора элементарных частиц.

Полноразмерный детектор SENSEI должен быть запущен в течение года. Весьма вероятно, что он так ничего и не найдёт, но если вдруг ему повезёт — это станет одним из крупнейших открытий века.

Источник: Fermilab