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

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

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.

Квантовый детектор, вольная интерпретация
Квантовый детектор, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

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.

Смоделированные энергетические спектры фоновых отложений энергии в гелий-3 мишени в экспериментальной ячейке QUEST-DMC (0,315 см^3, работает при давлении насыщенного пара 0,12Tc). Показана сумма смоделированных радиогенных фонов от материалов, окружающих детектор, а также событий, генерируемых космическими лучами (при условии работы на поверхности Земли). Заштрихованные полосы ошибок показывают сумму статистических ошибок и систематических ошибок (в нормировках активности и потока). На вставке показаны спектры в диапазоне энергий 0-100 кэВ.
Смоделированные энергетические спектры фоновых отложений энергии в гелий-3 мишени в экспериментальной ячейке QUEST-DMC (0,315 см3, работает при давлении насыщенного пара 0,12Tc). Показана сумма смоделированных радиогенных фонов от материалов, окружающих детектор, а также событий, генерируемых космическими лучами (при условии работы на поверхности Земли). Заштрихованные полосы ошибок показывают сумму статистических ошибок и систематических ошибок (в нормировках активности и потока). На вставке показаны спектры в диапазоне энергий 0-100 кэВ.
Автор: Autti, S., Casey, A., Eng, N. et al. QUEST-DMC: Background Modelling and Resulting Heat Deposit for a Superfluid Helium-3 Bolometer. J Low Temp Phys215, 465-476 (2024). https://doi.org/10.1007/s10909-024-03142-w CC-BY 4.0 Источник: link.springer.com

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.

2 комментария

2
Шизофренический бред
u
напомню, что гелий-3 в природе не встречается, а синтезируется в реакторах. И температура, при которой он становится сверхтекучим, у него сильно ниже, чем у гелия-4.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Больше ёмкость, выше ток. Батарейка больше не нужна. Обзор аккумулятора «Крона» c USB-зарядкой

Зачем разоряться на батарейках, когда есть аккумулятор? Это справедливо и для старого доброго формата «Кроны», где встроенный литиевый аккумулятор позволил увеличить ёмкость и токоотдачу. А USB-C...

Почему в пустыне Атакама расцвели растения? Разбираем особенности природного явления

Пустыня Атакама считается одной из самых засушливых территорий планеты. Она состоит из скал, каменистых склонов и обширных пространств, где дождей не бывает годами. Однако в 2026 году пейзаж...

Природа изобрела пластик до людей: как пчелы делают биоразлагаемый «целлофан» и чему у них учатся ученые

Около трети всего пластика, который производят в мире — это полиэтилен. Из него делают пакеты, пищевую пленку, контейнеры и упаковку для товаров повседневного спроса. Этот материал стал...

«Феррари» отдала победу Ферстаппену, а Антонелли стал чемпионом: итоги Гран-при Мехико Формулы-1 2026 года

Сезон Формулы-1 2026 года постепенно подходит к своему завершению. Уже на девятнадцатом этапе стало известно имя чемпиона. Как прошёл Гран-при Мехико, как «Феррари» отдала победу Максу Ферстаппену...

Обзор Kiwi Ears AD1: недорогой ЦАП с поддержкой CTIA

Мы много говорим о разнообразных портативных ЦАПах, однако пока ещё не касались предельно компактных, легких и недорогих решений на чипах от не особо именитых компаний. При том, что последние уже...

Создан компьютер из живых бактерий: как деление клеток в микроканалах заменяет работу процессора

В математике и программировании существует большой класс задач, которые легко сформулировать, но крайне трудно решить в большом масштабе. Их называют комбинаторными задачами полного перебора....