Один из величайших научных поисков нашего времени — это охота на темную материю. Физики полагают, что это вещество наполняет вселенную и думают, что могут увидеть доказательства этого в том, как вращаются галактики. Дело в том, что галактики вращаются так быстро, что их должно было разорвать на части, но по всей видимости (или невидимости) существует некая скрытая масса, которая обладает достаточной гравитационной силой, чтобы удерживать их вместе.
Это заставило физиков искать темную материю на Земле. Они построили десятки обсерваторий, большинство из которых находятся в подземных пещерах глубоко под поверхностью, где фоновый шум низкий. На карту поставлена научная слава, и те, кто найдет темную материю, будут щедро вознаграждены.
Пока что физики не нашли ничего. Если темная материя и существует, она крайне хорошо скрывается. Одна возможность состоит в том, что частицы темной материи слишком малы, чтобы их можно было найти в ходе текущих экспериментов. Физики отчаянно хотят найти более чувствительный способ поиска подобных субстанций.
Йонит Хохберг из Еврейского университета в Иерусалиме в Израиле и его коллеги разработали многообещающий новый датчик на основе крошечных сверхпроводящих проводов. Прототип команды уже показывает потенциал такого подхода.
В основе нового устройства лежит простой принцип. Охладите определенные металлы ниже критической температуры и они будут проводить электричество без сопротивления. Но как только их температура повышается выше этого порога, сверхпроводящее поведение исчезает.
Физики знают, что частицы темной материи не могут сильно взаимодействовать с видимой материей; в противном случае они бы уже увидели их. Но частицы темной материи могут сталкиваться с обычными частицами.
Это столкновения происходят редко, поскольку обычная материя представляет собой по большей части пустое пространство, и частицы темной материи могут проходить прямо через нее. Но когда они сталкиваются с атомным ядром или электроном в решетке, например, столкновение вызывает вибрации в решетке, тем самым повышая ее температуру.
Именно это повышение температуры хорошо выявляются сверхпроводящие нанопровода. Нагревание приводит к тому, что небольшая часть проводов перестает быть сверхпроводящими, а это, в свою очередь, создает импульс напряжения, который легко измерить. Более того, такое устройство производит мало ложных срабатываний, если они вообще будут.
Хохберг и коллеги проверили свою идею, создав прототип. Это устройство состоит из набора нанопроволок из силицида вольфрама шириной всего 140 нанометров (для сравнения, ширина человеческого волоса порядка 100 000 нанометров) и длиной 400 микрометров. Весь аппарат находится всего на несколько миллиградусов выше абсолютного нуля, так что провода из силицида вольфрама становятся сверхпроводниками.
Затем команда наблюдала за импульсами напряжения, которые могли бы выявить столкновение темной материи. При наличии соответствующего экранирования, они не обнаружили никаких импульсов в течение 10 000 секунд измерений.
Это накладывает важные ограничения на тип темной материи, которая могла бы существовать, и ее плотность. Это также накладывает ограничения на другие типы частиц, которые, как предполагают физики, могут существовать.
Один из таких типов — «темный фотон», по сути, эквивалент обычного фотона из темной материи. Если таковые существуют, новый детектор не обнаружил ни одного. «Результаты, полученные с помощью этого устройства, уже устанавливают значимые границы для взаимодействия темной материи с электронами, включая самые сильные земные границы для поглощения таких фотонов на уровне менее эВ», говорит Хохберг.
Работа впечатляет, учитывая, что масса нанопроволоки составляет всего несколько нанограммов. Следующим этапом будет их изготовление в более широком масштабе. Хохберг и коллеги говорят, что технология является относительно зрелой, поэтому ее можно будет опробовать в скором времени. По их оценкам, научная лаборатория сможет произвести тысячу 200-нанометровых детекторов с общей массой 1,3 грамма всего за год. Поэтому килограммовый детектор вполне может быть осуществим в недалеком будущем.