Сверхпроводники могут стать ключом к обнаружению таинственной темной материи. - «Наука и технологии»

В настоящее время проводится множество экспериментов, направленных на поиски темной материи, загадочной невидимой субстанции, наличие которой проявляется только в виде гравитационного воздействия на свет, звезды, галактики, скопления галактик и на другие объекты, состоящие из обычной материи. На поверхности Земли ученые для поисков используют ускорители частиц, такие, как Большой Адронный Коллайдер, бдительно следят за космосом при помощи датчика AMS на борту Международной космической станции и пытаются поймать призрачные вспышки света внутри нескольких датчиков, размещенных глубоко под поверхностью планеты. И тот факт, что ученым так и не удалось обнаружить никаких следов частиц темной материи, может быть объяснен тем, что чувствительность всех используемых датчиков и приборов не позволяет регистрировать частицы, энергия-масса которых не превышает значения в 10 ГэВ (10 миллиардов электрон-вольт).

Для преодоления вышеуказанной проблемы ученые постоянно работают в направлении разработки новых и более чувствительных датчиков. И недавно, ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Калифорнийского университета в Беркли и Стэнфордского университета предложили конструкцию датчика нового типа, основанного на сверхпроводящих материалах. Этот датчик может обеспечить высокую чувствительность в диапазоне от 1 КэВ (1000 электрон-вольт) до 10 ГэВ, что позволит при его помощи регистрировать частицы, массой в миллиард раз меньше массы протона, среди которых могут находиться и частицы темной материи.

Считается, что в подавляющем большинстве случаев частицы темной материи не взаимодействуют с частицами обычной материи, что делает невозможным ее прямое обнаружение в лабораторных условиях. Хотя, как и в случае с частицами нейтрино, частицы темной материи должны оказывать некоторое влияние на отдельные электроны и частицы, из которых состоят ядра атомов. Согласно имеющимся теориям, такое взаимодействие может стать причиной рождения других частиц, фотонов или фононов. И именно на этом предположении и основаны принципы работы большинства датчиков, которые нацелены на регистрацию таких частиц, "побочных продуктов" влияния темной материи.

С этой точки зрения имеет очень большое значение материал, из которого изготовлено рабочее тело датчика и который определяет вид образующихся вторичных частиц. Наиболее чувствительные датчики используют в качестве рабочего тела жидкий ксенон (датчик LZ), германий (датчик SuperCDMS) и некоторые другие более экзотические материалы.

Вышеупомянутые ученые-физики продемонстрировали, что датчик частиц темной материи, изготовленный из сверхпроводящего материала, такого, как сверхчистый алюминий, может быть способен обнаруживать частицы с энергией всего в сотни КэВ и меньше. Высочайшая чувствительность обеспечивается тем, что сверхпроводящий материал имеет нулевое или очень близкое к нулю значение ширины запрещенной зоны, энергетического барьера, который требуется преодолеть электронам для того, чтобы материал стал проводником электрического тока. У алюминия в сверхпроводящем состоянии ширина запрещенной зоны составляет всего 0.3 мэВ (0.0003 электрон-вольта).

Идея, легшая в принцип работы сверхпроводящего датчика, заключается в том, что частицы темной матери постоянно пронизывают Землю в больших количествах. Это значительно увеличивает вероятность того, что какой-нибудь из частиц темной материи все же удастся "зацепить" один из свободных электронов в сверхпроводящем материале, которые образуют так называемые куперовские пары, энергия связи которых составляет намного меньшую величину, чем 1 мэВ. В этом случае энергии частицы темной материи будет достаточно для того, чтобы разорвать куперовскую пару и заставить электрон перепрыгнуть через запрещенную зону. А этот факт может быть зарегистрирован при помощи высокочувствительного калориметра, устройства, измеряющего количество выделившегося в материале тепла, что послужит подтверждением наличия частиц темной материи.

Ученые прогнозируют, что некоторые усовершенствования имеющихся сейчас технологий должны сделать возможным создание подобного датчика в не таком уж и далеком будущем. Одной из главных проблем, с которыми придется столкнуться ученым, станет проблема устранения постороннего шума из источников, не имеющих отношения к темной материи. Кстати, эта проблема очень остро стоит и в случае других типов датчиков темной материи. Однако, если создание сверхпроводящего датчика пройдет успешно, то это даст ученым неплохой шанс выяснить то, из чего же на самом деле состоит большая часть матери в окружающей нас Вселенной.