Темна матерія становить близько 85% усієї матерії у Всесвіті, але досі залишається невловимою для прямого спостереження. Тепер фізики знайшли три квантові матеріали, які, за розрахунками, можуть значно посилити надзвичайно слабкі сигнали від найменших частинок темної матерії.
Що вдалося знайти
Дослідники з Єврейського університету в Єрусалимі визначили три перспективні матеріали для майбутніх детекторів темної матерії: диселенід титану (TiSe₂), рутенат стронцію (Sr₂RuO₄) та алмаз із легуванням дірками.
Їх об’єднує незвичайна квантова властивість. Матеріали здатні посилювати дуже слабкі електронні сигнали, які теоретично можуть виникати під час взаємодії з легкими частинками темної матерії.
Результати отримали за допомогою першопринципних квантово-механічних симуляцій. Тобто дослідники не заявляють про безпосереднє виявлення темної матерії — вони змоделювали, як різні матеріали реагуватимуть на її можливу взаємодію.
Про це повідомляє NNews із посиланням на Interesting Engineering.
Чому темну матерію так складно побачити
Звичайна матерія взаємодіє зі світлом: вона може його випромінювати, поглинати або відбивати. Саме тому ми можемо безпосередньо спостерігати зорі, планети та інші об’єкти.
З темною матерією все інакше. Вона не випромінює, не поглинає і не відбиває світло, тому залишається фактично невидимою.
Її існування припускають насамперед за гравітаційним впливом. Саме темна матерія, як вважається, відіграє важливу роль у формуванні галактик та великомасштабної структури Всесвіту.
Але побачити самі частинки фізики поки не змогли.
Що здивувало дослідників
Головна проблема полягає не лише в невидимості темної матерії. Якщо легка частинка все ж взаємодіє зі звичайною речовиною, вона передає їй настільки малу кількість енергії, що сигнал легко губиться серед шуму.
Запропоновані матеріали можуть працювати як своєрідні підсилювачі.
У них виникають низькоенергетичні колективні збудження електронів — плазмони. Саме вони, за розрахунками дослідників, можуть посилювати крихітний енергетичний сигнал від взаємодії з темною матерією.
Якщо спростити, детектор на такому матеріалі намагається не просто «почути» дуже тихий сигнал, а використати властивості самого матеріалу, щоб зробити його помітнішим.
Один матеріал показав особливо сильний результат
Найпомітнішим кандидатом став диселенід титану.
За результатами моделювання, детектори на його основі потенційно можуть підвищити чутливість у 100–1000 разів порівняно з нинішніми еталонними матеріалами для певного діапазону мас частинок темної матерії.
Водночас це саме теоретичний результат моделювання. Він не означає, що детектор уже створили і тим більше не підтверджує безпосереднє виявлення темної матерії.
Детектор може «відчувати» напрямок
Є ще одна цікава особливість.
Два з трьох запропонованих матеріалів мають напрямну чутливість. Це означає, що реакція матеріалу залежатиме від того, під яким кутом частинки темної матерії рухаються відносно кристалічної структури.
Через обертання Землі такий сигнал теоретично може змінюватися протягом доби.
Для фізиків це важливо: регулярну добову зміну потенційного сигналу можна було б використовувати для відокремлення справжньої події від фонового шуму.
Що було відомо раніше
Пошук темної матерії триває десятиліттями. Однак основна складність полягає в тому, що універсального способу безпосередньо зафіксувати її частинки досі немає.
Особливо складним є пошук легкої темної матерії. Чим менше енергії передає частинка під час взаємодії, тим складніше відрізнити такий сигнал від звичайного шуму детектора.
Саме тому вибір матеріалу стає не менш важливим, ніж сама конструкція експерименту.
Що це може змінити
Якщо результати симуляцій підтвердяться експериментально, нові матеріали можуть відкрити доступ до ділянок параметрів темної матерії, які нинішні детектори досліджують недостатньо ефективно.
Важливо, що дослідники не пропонують екзотичні матеріали, які неможливо отримати в лабораторії. Усі три кандидати можна синтезувати вже наявними методами.
Особливо перспективним для масштабування автори вважають диселенід титану.
Наступний крок — перевірити, чи працюватимуть передбачені властивості матеріалів у реальних експериментальних установках так само, як у квантово-механічних розрахунках.
💡 Цікаво знати
Запропонована технологія цікава не тому, що вчені вже «побачили» темну матерію. Навпаки — її досі не виявлено безпосередньо.
Цінність роботи в іншому: дослідники шукають спосіб зробити сам матеріал детектора частиною системи підсилення сигналу.
❓ Головне питання: чи знайшли вчені темну матерію?
Ні.
Дослідження не є відкриттям самої темної матерії. Воно показує, що три квантові матеріали можуть бути перспективними основами для надчутливих детекторів, здатних шукати слабкі сигнали від легких частинок темної матерії.
Якщо майбутні експерименти підтвердять розрахунки, фізики отримають новий інструмент для пошуку частинок, природа яких залишається однією з найбільших загадок сучасної фізики.
І тут найцікавіше те, що відповідь може ховатися не в тому, де шукати темну матерію, а в тому, з чого зробити детектор, здатний нарешті почути її надзвичайно слабкий сигнал.
