Можно ли поймать темную материю? Ученые ставят на сверхтекучий гелий-3 и квантовые детекторы

Тайна темной материи уже не одно десятилетие волнует умы ученых. Мы видим ее отпечаток в гравитационном поле галактик, но ее истинная природа остается неуловимой. Представьте себе: 85% массы Вселенной — это нечто, что мы не можем увидеть, потрогать или изучить привычными методами!

В погоне за этой загадкой физики обращаются к самым невероятным теориям и технологиям. Одной из «ловушек», созданных для поимки неуловимой частицы, стал проект QUEST-DMC.

Для регистрации слабых сигналов, которые могут быть вызваны взаимодействием частиц темной материи, требуется вещество с исключительной чувствительностью. Именно таким веществом и является сверхтекучий гелий-3, используемый в проекте QUEST-DMC. При температурах, близких к абсолютному нулю, гелий-3 переходит в сверхтекучее состояние, характеризующееся, помимо прочего, нулевой вязкостью. Это означает, что он может течь без какого-либо сопротивления, проникая сквозь мельчайшие поры и каналы.

Именно в этой экзотической среде ученые из коллаборации QUEST-DMC надеются поймать неуловимые следы темной материи. Согласно их гипотезе, взаимодействие частиц темной материи с ядрами атомов гелия-3 будет порождать крошечные возмущения — квазичастицы, — которые можно зарегистрировать с помощью наномеханических резонаторов, вибрирующих с определенной частотой.

Однако, как и в любом тонком эксперименте, здесь есть свои подводные камни. Даже слабейшие внешние воздействия — тепловые шумы, вибрации, радиоактивный фон — могут заглушить искомый сигнал, имитируя взаимодействие с темной материей.

Поэтому перед учеными встала непростая задача — создать максимально «чистую» экспериментальную среду и разработать методы фильтрации фоновых сигналов.

Первым шагом на этом пути стало тщательное изучение радиоактивности, присущей материалам, используемым в конструкции детектора. Ученые провели радиоактивные измерения широкого спектра материалов — от нержавеющей стали и алюминия до эпоксидных смол и специальных композитов, используемых в криогенной технике.

Полученные данные позволили составить «радиоактивный паспорт» каждого материала и рассчитать, какой вклад он будет вносить в общий фон детектора.

Но этого было недостаточно. Космические лучи, непрерывно бомбардирующие Землю, — еще один источник нежелательных помех. Для оценки их влияния ученые обратились к компьютерному моделированию.

Используя программу GEANT4, они «проиграли» на компьютере миллиарды сценариев, отслеживая траектории космических частиц и моделируя их взаимодействие с детектором.

Результаты моделирования показали, что для достижения максимальной чувствительности детектор QUEST-DMC необходимо разместить глубоко под землей, где толща горных пород будет служить естественным щитом от космической радиации.

QUEST-DMC — это проект, балансирующий на грани фантастики. Он требует не только глубоких теоретических знаний, но и инженерной виртуозности, чтобы создать условия, в которых можно будет услышать «шепот» темной материи на фоне вселенской тишины.

Если ученым удастся решить все технические задачи и поймать неуловимый сигнал, это станет настоящим прорывом в физике, открывающим окно в невидимый мир, составляющий большую часть нашей Вселенной.