Темная материя становится ближе: первые результаты эксперимента QROCODILE

Коллектив ученых из Цюрихского университета, Еврейского университета в Иерусалиме и Массачусетского технологического института (MIT) представил первые результаты новаторского эксперимента QROCODILE, целью которого является поиск легкой темной материи. Исследователям удалось установить новые, лучшие в мире ограничения на существование гипотетических частиц темной материи с массами вплоть до 30 килоэлектронвольт (кэВ), что является значительным прорывом в этой области физики. Результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Эксперимент QROCODILE, название которого расшифровывается как Квантовая Криогенная Обсерватория для Поиска Темной Материи с Низкой Энергией, использует принципиально новый подход к детектированию. Вместо традиционных массивных детекторов на основе жидкого ксенона или кристаллов германия в нем применяются сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы (SNSPDs). Эти квантовые сенсоры, изначально созданные для сверхчувствительного подсчета фотонов, в данном случае выступают одновременно и мишенью, и детектором для темной материи.

Ключевым преимуществом установки является ее рекордно низкий энергетический порог чувствительности, составляющий всего 0,11 электронвольт (эВ). Это позволяет регистрировать ничтожно малые энергетические выделения, которые должны производить легкие частицы темной материи при столкновении с веществом, что недоступно для большинства современных детекторов. В ходе первых испытаний детектор, охлажденный до температуры 100 милликельвин, работал более 415 часов и зафиксировал 15 слабых необъясненных сигналов. Ученые подчеркивают, что эти сигналы нельзя считать доказательством существования темной материи, так как они могут быть вызваны фоновыми помехами, однако сам факт достижения такой чувствительности открывает новые возможности для поиска.

Важность эксперимента QROCODILE заключается также в его способности одновременно исследовать взаимодействие легкой темной материи как с электронами, так и с нуклонами, что является уникальной особенностью методики. В перспективе ученые планируют масштабировать систему, создав массив из десяти мегапикселей подобных детекторов, что на порядки повысит чувствительность установки и, возможно, позволит не только исключать теоретические модели, но и надежно идентифицировать сигнал темной материи на фоне шумов.

Это достижение знаменует собой важный стратегический сдвиг в поисках темной материи, который все больше смещается в сторону использования передовых квантовых технологий для исследования ранее недоступных диапазонов масс и энергий.