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

Лодка слушается с берега: как Никола Тесла показал радиоуправление в 1898 году

Весной 1898 года посетители электрической выставки в нью-йоркском Madison Square Garden останавливались у небольшого бассейна. По воде ходила тяжёлая металлическая лодка длиной около четырех...

В каком составе «Спартак» выйдет на игру против «Акрона» 8 ноября

После разгромной победы над «Локомотивом» со счетом 4:0 у «Спартака» появилась возможность закрепить удачный результат в следующем туре РПЛ. 8 ноября красно-белые примут на «Лукойл Арене»...

Обзор беспроводного комплекта Smartbuy F11: клавиатура, мышь и наушники в едином стиле

Комплект Smartbuy F11. Состоит из 3 предметов: клавиатура, мышь и наушники-гарнитура. Клавиатура тут полноразмерная на 104 кнопки. Мышка и гарнитура беспроводные

✦ ИИ  OnePlus Ace 7 и Ace 7 Pro: игровые смартфоны с вентилятором, обходной зарядкой и батареей 9000 мАч: стоит ли брать?

29 октября OnePlus представила в Китае игровые смартфоны OnePlus Ace 7 и Ace 7 Pro. Обе модели получили вентилятор внутри корпуса, аккумулятор на 9000 мАч и экран с частотой до 185 Гц, а...

✦ ИИ  Почему мороз рвет краны и трубы, а вода в колонках и водонапорных башнях не замерзает

Зимой небольшой кран во дворе или забытая на даче труба способны лопнуть после сильного мороза, а стоящая неподалеку уличная колонка продолжает работать как ни в чем не бывало. Еще удивительнее...

Почему виниловые пластинки вращаются на 33⅓ оборота, а не на ровных 33

Почему виниловая пластинка вращается со скоростью 33⅓ оборота в минуту, а не ровно 33? Ответ связан не с особым свойством винила: скорость существовала в профессиональной аппаратуре ещё до...