Тёмная материя где-то рядом: физики опустились на 2 км под землю и охладили установку до края возможного

На глубине почти 2 км под землей, в никелевой шахте в Канаде, физики вывели на рабочий режим установку, охлажденную почти до абсолютного нуля. Температура внутри системы опустилась до тысячных долей градуса выше теоретического минимума, при котором тепловое движение вещества почти замирает. Именно в таком состоянии запускается один из самых чувствительных экспериментов по поиску темной материи.

Установка работает в подземной лаборатории SNOLAB недалеко от канадского Садбери. Комплекс спрятан примерно на 6800 футов ниже поверхности, то есть почти на 2 км. Такая глубина нужна не для эффектности, а для защиты от космических лучей и прочего фонового шума, который на поверхности заглушил бы слишком слабые сигналы.

Эксперимент нацелен на поиск легкой темной материи. У таких частиц, по расчетам физиков, масса ниже, чем у более привычных кандидатов, а взаимодействие с обычным веществом еще слабее. Проверять подобные версии особенно трудно: чем меньше масса, тем слабее след, который частица может оставить в детекторе.

Центр установки составляют мощные детекторы. Инженеры и физики собрали полупроводниковые кристаллы из германия и кремния размером примерно с хоккейную шайбу и снабдили их сверхпроводящими квантовыми сенсорами. Когда в кристалл попадает частица, внутри возникают крошечные колебания решетки. Физики называют их фононами. По сути, это очень слабые вибрации, которые несут информацию о столкновении.

Зарегистрировать такие колебания можно только почти у абсолютного нуля. При более высокой температуре атомы в материале двигаются слишком активно и создают собственный шум. На фоне такой тепловой суеты сенсоры не смогут отделить редкий полезный сигнал от обычных внутренних колебаний. После выхода на базовую температуру лишний шум почти исчезает, и система начинает работать с нужной точностью.

Даже в таком режиме шансы на прямую регистрацию остаются очень низкими. Астрономические наблюдения давно показывают, что галактика погружена в огромный массив невидимого вещества. Частицы темной материи, если существующие модели верны, должны постоянно проходить сквозь Землю. Проблема в другом: столкновения с обычным веществом происходят настолько редко, что установка должна долго работать в почти идеальной тишине, чтобы поймать хотя бы одно событие.

Для отсечения ложных срабатываний команда использует детекторы, способные различать типы взаимодействий. Такая схема помогает отделять возможные следы темной материи от фоновых процессов, которые дают похожий отклик. За годы работы над экспериментами семейства CDMS исследователи заметно повысили чувствительность приборов, особенно в области низких энергий, где и могут проявиться частицы малой массы.

Выход на рабочую температуру - важный этап, но сам поиск только начинается. В установке стоят 24 детектора. Теперь каждый модуль нужно включить, настроить, проверить отклик и откалибровать. После наладки команда перейдет к полноценному сбору данных. Научный цикл, по текущему плану, продлится около года.

Даже без прямого обнаружения темной материи установка даст физикам много новой информации. Система такой чувствительности позволит изучать редкие изотопы, работать с диапазоном энергий, который раньше почти не поддавался измерению, и проверять новые физические модели. Самый интересный сценарий выглядит просто: детекторы зафиксируют событие, которое нельзя объяснить известными процессами. Следующий этап тоже уже понятен: команда должна завершить настройку всех 24 модулей и перевести установку в режим годового набора данных.