Физики предложили новый способ охоты за одной из самых загадочных составляющих Вселенной — тёмной материей. Исследователи Еврейского университета в Иерусалиме определили три необычных квантовых материала, которые способны значительно усилить чрезвычайно слабые сигналы от лёгких частиц тёмной материи.
Если расчёты подтвердятся экспериментально, новые материалы могут открыть ранее недоступную область поиска и повысить чувствительность детекторов на несколько порядков. Особенно перспективным оказался диселенид титана (TiSe₂): теоретические модели показывают, что он способен улучшить чувствительность некоторых экспериментов в 100–1000 раз по сравнению с используемыми сегодня эталонными материалами.
Почему тёмную материю так трудно обнаружить?
Тёмная материя — один из главных нерешённых вопросов современной физики. По космологическим данным, на неё приходится примерно 85% всей материи Вселенной, однако непосредственно увидеть её невозможно.
Обычное вещество взаимодействует со светом: атомы и частицы могут испускать, поглощать или отражать электромагнитное излучение. Именно поэтому мы видим звёзды, планеты и галактики.
С тёмной материей всё иначе. Она не излучает, не поглощает и не отражает свет в обычном смысле. О её существовании учёные судят главным образом по гравитационному воздействию на видимое вещество и структуру Вселенной.
Но если тёмная материя действительно состоит из частиц, возникает следующий вопрос: можно ли поймать хотя бы след их взаимодействия с обычным веществом?
Именно этим десятилетиями занимаются многочисленные эксперименты.
Что такое лёгкая тёмная материя?
Не все гипотетические частицы тёмной материи должны быть тяжёлыми. Учёные рассматривают широкий диапазон возможных масс и типов взаимодействия.
Для тяжёлых частиц потенциальный сигнал может быть достаточно заметным: частица сталкивается с атомом или ядром и передаёт ему энергию. Но чем меньше масса предполагаемой частицы, тем меньше энергии она способна передать.
В какой-то момент сигнал становится настолько слабым, что обычный детектор просто не замечает его на фоне собственных шумов.
Это можно сравнить с попыткой услышать очень тихий щелчок в помещении, где одновременно работают десятки механизмов. Можно сколько угодно увеличивать чувствительность микрофона, но если собственный шум системы слишком велик, полезный сигнал всё равно потеряется.
Поэтому поиск лёгкой тёмной материи требует не только более совершенной электроники, но и принципиально подходящих материалов.
Учёные предлагают использовать свойства квантовых материалов
Исследователи изучили три материала:
- диселенид титана (TiSe₂);
- рутений стронция (Sr₂RuO₄);
- алмаз с легированием дырками.
Все три обладают необычными квантовыми свойствами, которые могут сделать их чувствительными к чрезвычайно малым энергетическим воздействиям.
Ключевую роль здесь играют коллективные электронные возбуждения — плазмоны.
Вместо того чтобы реагировать на воздействие каждой отдельной частицы независимо, электронная система материала способна отвечать коллективно. Поэтому крошечная передача энергии потенциальной частицы тёмной материи может вызвать более заметный эффект внутри самого материала.
Именно это физики и хотят использовать как своеобразный усилитель.
Как работает такой детектор?
Представим, что гипотетическая частица тёмной материи проходит через кристалл. Вероятность её взаимодействия с обычным веществом чрезвычайно мала.
Если взаимодействие всё-таки происходит, частица передаёт материалу крошечную порцию энергии. В обычном детекторе этот сигнал может оказаться ниже порога чувствительности.
В предложенных материалах ситуация потенциально другая. Переданная энергия способна возбуждать коллективные электронные состояния — плазмоны. Они, в свою очередь, создают более удобный для регистрации сигнал.
Таким образом, материал выполняет роль своеобразного квантового усилителя: не увеличивает энергию самой частицы, а превращает чрезвычайно слабое микроскопическое воздействие в более заметный коллективный отклик.
Именно поэтому свойства вещества становятся не менее важными, чем чувствительность самого сенсора.
Диселенид титана может дать скачок чувствительности
Особенно интересным кандидатом оказался TiSe₂ — диселенид титана.
Согласно проведённым расчётам, детекторы на его основе способны исследовать диапазоны параметров тёмной материи, которые недоступны современным материалам. В некоторых диапазонах чувствительность может быть на два–три порядка величины выше нынешних эталонных показателей. Это огромная разница.
Повышение чувствительности в 10 раз уже может открыть новый диапазон эксперимента. Увеличение в 100 или 1000 раз способно принципиально изменить пространство возможных параметров, которое исследователи могут проверить.
Разумеется, пока речь идёт именно о теоретических расчётах. Учёным ещё предстоит создать реальные детекторы и убедиться, что предсказанные квантовые эффекты действительно дают ожидаемое преимущество в эксперименте.
А если детектор сможет определить направление?
У некоторых предложенных материалов есть ещё одно необычное свойство. Их реакция зависит от ориентации кристалла относительно направления, с которого приходит частица. Это означает, что такой детектор потенциально способен получать не только информацию о самом факте события, но и о его направлении.
Здесь появляется особенно интересный эффект, связанный с вращением Земли.
По мере того как планета вращается, кристалл детектора меняет свою ориентацию относительно предполагаемого потока частиц тёмной материи. Если частицы действительно создают направленный сигнал, интенсивность отклика должна изменяться по предсказуемому суточному циклу. Для эксперимента это чрезвычайно полезно.
Фоновый шум может случайным образом имитировать отдельные события, но воспроизвести устойчивую периодическую зависимость значительно сложнее. Поэтому ежедневная модуляция сигнала потенциально способна помочь отличить настоящую физическую реакцию от обычных помех.
Почему именно квантовые материалы?
Традиционные детекторы тёмной материи уже достигли впечатляющей чувствительности. Но дальнейшее улучшение становится всё труднее. Когда исследователи пытаются обнаружить всё более лёгкие частицы, возникает фундаментальная проблема: энергия взаимодействия становится крошечной. Поэтому недостаточно просто увеличить размер детектора или поставить более мощную электронику.
Необходимо найти вещество, которое само по себе умеет реагировать на такие микроскопические воздействия.
Квантовые материалы особенно интересны именно благодаря коллективным эффектам внутри них. Электроны в таких системах могут вести себя не как независимые частицы, а как единая сложная квантовая система. Это открывает возможность использовать необычные состояния вещества для регистрации сигналов, которые обычная материя практически не замечает.
Насколько близко это к реальному эксперименту?
Есть важный нюанс: исследование пока не означает, что тёмную материю наконец обнаружили.
Учёные использовали расчёты из первых принципов — методы квантовой механики, позволяющие теоретически вычислять свойства материалов, исходя из фундаментальных физических законов, а не подгоняя модель под экспериментальные данные.
Модели показали, что три материала обладают подходящими свойствами и потенциально могут превзойти существующие материалы для определённых диапазонов параметров тёмной материи.
Следующий шаг — экспериментальная проверка.
К счастью, предложенные материалы не являются исключительно теоретическими конструкциями. Все три уже можно синтезировать с помощью существующих технологий. Исследователи считают, что особенно удобным для масштабирования может оказаться диселенид титана.
Это означает, что путь от компьютерной модели к реальному прототипу детектора здесь потенциально короче, чем в случае совершенно новых материалов, которые ещё предстоит научиться получать.
Новый этап охоты за тёмной материей
Поиск тёмной материи долгое время был прежде всего задачей создания всё более крупных и чувствительных детекторов. Теперь физики всё чаще смотрят на сам материал детектора как на важнейшую часть эксперимента. И это логичный шаг. Если предполагаемый сигнал почти неотличим от шума, иногда эффективнее не просто совершенствовать «микрофон», а изменить саму среду, в которой этот сигнал возникает.
TiSe₂, Sr₂RuO₄ и легированный алмаз пока остаются перспективными кандидатами, а не доказанным способом обнаружения тёмной материи. Но если будущие эксперименты подтвердят расчёты, квантовые материалы могут существенно расширить диапазон поиска самых лёгких и неуловимых частиц.
Возможно, следующая крупная подсказка о природе тёмной материи будет получена не благодаря гигантскому ускорителю или огромному подземному детектору, а благодаря небольшому кристаллу, который умеет превращать почти незаметное взаимодействие в измеримый сигнал.
