Новые квантовые материалы могут повысить чувствительность поисков тёмной материи в сотни раз
Международная группа физиков предложила использовать необычные квантовые материалы для поиска лёгких частиц тёмной материи. По расчётам исследователей, такие материалы могут оказаться значительно чувствительнее существующих детекторных систем и открыть доступ к области параметров, которую современные эксперименты практически не способны исследовать.
Тёмная материя, согласно современным оценкам, составляет около 85% всей материи во Вселенной. Она не испускает, не поглощает и не отражает свет, поэтому непосредственно наблюдать её невозможно. О её существовании судят по гравитационному воздействию на галактики и крупномасштабную структуру Вселенной.
Особенно трудно искать лёгкие частицы тёмной материи, поскольку при взаимодействии с обычным веществом они передают крайне небольшую энергию. Поэтому для их регистрации необходимы материалы, способные реагировать на чрезвычайно слабые энергетические возмущения.
Исследователи выделили три перспективных материала: диселенид титана TiSe₂, рутенат стронция Sr₂RuO₄ и алмаз с проводимостью p-типа. Их электронная структура позволяет усиливать слабые сигналы, которые теоретически могут возникать при взаимодействии вещества с частицами лёгкой тёмной материи.
Ключевую роль играют низкоэнергетические коллективные колебания электронов — плазмоны. В предложенных материалах такие возбуждения возникают при очень небольших энергиях и поэтому могут значительно сильнее реагировать на взаимодействие с лёгкими частицами, чем материалы, используемые в современных детекторах.
Команда провела квантово-механические расчёты из первых принципов, моделируя отклик каждого материала на возможные взаимодействия с тёмной материей. Результаты показали, что новые детекторы могли бы исследовать ранее недоступные диапазоны масс и параметров частиц.
Наиболее перспективным оказался диселенид титана. По расчётам, детектор на основе TiSe₂ в некоторых диапазонах может повысить чувствительность примерно на два-три порядка, то есть в сотни и потенциально до тысячи раз по сравнению с материалами, которые сегодня рассматриваются в качестве стандартных кандидатов.
Дополнительное преимущество двух предложенных материалов заключается в направленной чувствительности. Их отклик зависит от того, под каким углом предполагаемая частица тёмной материи движется относительно кристаллической структуры.
Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, ориентация такого детектора относительно предполагаемого потока частиц постоянно менялась бы. Это должно создавать характерные суточные изменения интенсивности сигнала, которые можно использовать для отделения возможных событий тёмной материи от фоновых процессов.
Такой эффект особенно важен для будущих экспериментов, поскольку одной высокой чувствительности недостаточно: исследователям необходимо убедительно отличать редкие взаимодействия неизвестных частиц от шумов, естественной радиоактивности и других источников ложных событий.
Предложенные материалы имеют и практическое преимущество — все три уже можно получать существующими методами. Диселенид титана исследователи считают особенно удобным для масштабируемого производства. В работе использовались образцы TiSe₂ миллиграммового масштаба, полученные методом химического транспорта из газовой фазы в лаборатории Университета Л’Акуилы.
Учёные подчёркивают, что значение работы не ограничивается тремя рассмотренными материалами. Многие другие квантовые материалы также обладают низкоэнергетическими коллективными возбуждениями, которые пока почти не изучались с точки зрения регистрации тёмной материи.
Это открывает новое направление на пересечении физики элементарных частиц, физики конденсированного состояния и материаловедения. Вместо поиска только новых схем детекторов исследователи предлагают подбирать материалы, электронная структура которых сама по себе усиливает чрезвычайно слабые сигналы.
Следующим этапом станет экспериментальная проверка рассчитанной чувствительности и создание детекторов, способных работать с такими квантовыми материалами при низких энергетических порогах. Если прогнозы подтвердятся, подобные системы смогут значительно расширить область поисков лёгкой тёмной материи.
Исследование в журнале Physical Review Letters.