2 км под землёй, холоднее открытого космоса, 24 детектора — физики ищут то, из чего сделана почти вся Вселенная

Физики в США подвели установку SuperCDMS к рабочей температуре, которая нужна для поиска темной материи. Систему охладили до десятков милликельвинов, то есть до температуры всего на тысячные доли градуса выше абсолютного нуля. После выхода на такой режим удалось включить 24 сверхчувствительных детектора. Для проекта это ключевой этап: теперь установка можно готовить к полноценным измерениям.

Речь идет об эксперименте Super Cryogenic Dark Matter Search, или SuperCDMS. Название переводится как сверхкриогенный поиск темной материи. Главная задача проекта - поймать крайне слабые следы частиц, которые, по расчетам физиков, составляют около 85% всей материи во Вселенной, но до сих пор ни разу не были зарегистрированы напрямую.

Темную материю не удается увидеть обычными телескопами, потому что предполагаемые частицы не излучают свет, не поглощают его и не отражают электромагнитное излучение. Из-за этого астрономы замечают присутствие такой материи только косвенно, по ее гравитационному влиянию на галактики и крупные структуры Вселенной. SuperCDMS относится к другому классу экспериментов. Здесь физики пытаются зафиксировать не косвенный эффект, а редкое столкновение частицы темной материи с атомом внутри детектора.

Для такой задачи нужны очень тихие условия в буквальном физическом смысле. При более высокой температуре атомы в веществе сильнее колеблются, а тепловой шум перекрывает слабые сигналы. Сильное охлаждение убирает большую часть помех и дает шанс заметить крошечный энергетический отклик, который частица темной материи может оставить в кристалле. Именно поэтому SuperCDMS работает при температуре около -273,13 °C. Для сравнения, открытый космос имеет температуру около -270,45 °C, так что рабочая зона установки действительно холоднее межзвездного пространства.

В установке используют 24 детектора из сверхчистых кристаллов кремния и германия. Каждый по размеру немного больше хоккейной шайбы. Внутри таких элементов стоят чувствительные датчики, способные уловить очень слабый нагрев или небольшой электрический сигнал. Если гипотетическая частица темной материи столкнется с атомом в кристалле, прибор должен зарегистрировать выделившуюся энергию.

Одна из главных целей SuperCDMS - поиск так называемых WIMP, то есть слабо взаимодействующих массивных частиц. Долгое время такие частицы считались одним из главных кандидатов на роль темной материи. Сейчас список возможных вариантов шире, и установка будет искать не только WIMP-подобные объекты, но и другие формы новой физики, которые могут проявляться в очень малых энергиях.

Эксперимент размещен в лаборатории SNOLAB в Канаде, примерно в 2 км под землей, в действующем никелевом руднике возле Садбери. Глубина здесь нужна не ради удобства и не ради инженерного рекорда. Толща породы защищает установку от космических лучей и другой фоновой радиации, которая могла бы создавать ложные сигналы. Для поиска темной материи такая защита критична, потому что полезные события ожидаются крайне редко.

Одной глубины недостаточно, поэтому вокруг установки собрали дополнительный экран с низким собственным фоном. Защита выполнена в виде цилиндра высотой и шириной около 4 м. Сверхчистый свинец внутри конструкции задерживает гамма-излучение, а полиэтилен высокой плотности ослабляет поток нейтронов. Вся схема нужна для одной цели: максимально сократить число случайных событий, которые могут быть похожи на сигнал от темной материи.

После выхода на базовую температуру эксперимент не переходит сразу к основному сбору данных. Сначала команда займется точной настройкой всех каналов. Физики будут калибровать детекторы, проверять чувствительность, настраивать электронику и смотреть, как система ведет себя в рабочем режиме. Только после такой доводки начнется полноценная серия измерений.

Параллельно исследователи готовят методы обработки будущих данных. В подобных экспериментах прибор не выдает готовый ответ, а регистрирует набор слабых тепловых и электрических откликов. Дальше алгоритмы должны восстановить картину события: определить, где произошло взаимодействие, сколько энергии выделилось и похоже ли случившееся на возможный сигнал темной материи, а не на обычный фон. Для этого команда разработала новые алгоритмы реконструкции, которые должны быстрее отделять редких кандидатов от шумов.

Установка рассчитана прежде всего на поиск легкой темной материи. Под таким выражением обычно понимают частицы с относительно малой массой, которые оставляют еще более слабый след, чем тяжелые кандидаты. Именно поэтому SuperCDMS требует столь низкой температуры и высокой чувствительности. Чем легче частица, тем меньше энергии она передает атому в кристалле, и тем труднее заметить столкновение.

Научная программа проекта не ограничивается одним сценарием. Помимо WIMP-подобных частиц, исследователи собираются проверить диапазоны, где могут проявиться аксионоподобные частицы, темные фотоны и слабо ионизирующие частицы. Все это гипотетические объекты, которые пока не обнаружены, но регулярно появляются в современных моделях за пределами Стандартной модели.

Даже если первые циклы наблюдений не принесут прямого сигнала, SuperCDMS все равно даст важный результат. Установка сможет исследовать области энергий и редкие взаимодействия, которые раньше почти не удавалось измерять. Для фундаментальной физики отрицательный результат тоже важен: он позволяет отсечь часть гипотез и сузить круг моделей, которыми ученые пытаются объяснить природу темной материи.