Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали двухфазный криогенный детектор на основе аргона и продемонстрировали с его помощью концепцию, которая может быть использована для регистрации света в видимом диапазоне от частиц темной материи. В экспериментах на аргоновом детекторе ученые показали возможность ее использования для поиска WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) – слабовзаимодействующих массивных частиц, являющихся главными кандидатами на роль частиц темной материи. Результаты были опубликованы в журнале The European Physical Journal C и могут быть полезны для различных проектов по поиску темной материи, например, международной коллаборации DarkSide.
Согласно современным представлениям, лишь 5% энергии-массы Вселенной состоит из обычной материи. Все остальное – это темная энергия (69%) и темная материя (26%). Темная материя получила такое название из-за того, что не участвует в электромагнитном взаимодействии, однако проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Несмотря на то, что напрямую темную материю никто не наблюдал, и ничего не известно о природе ее частиц, косвенных доказательств ее существования довольно много. Все они связаны со специфическим поведением астрофизических объектов, которое указывает на наличие скрытой массы во Вселенной. Одним из вероятных кандидатов на роль частиц темной материи является WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) – слабовзаимодействующая массивная частица.
«Существуют прямые и косвенные методы поиска WIMP. К косвенным методам поиска относят регистрацию продуктов аннигиляции WIMP от различных астрофизических источников или поиск специфической картины разлета частиц при взаимодействии частиц в коллайдерах, – рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Владислав Олейников. – Прямой же поиск производится в детекторах, предназначенных для наблюдения событий предполагаемого упругого рассеяния WIMP на атомных ядрах. В последнее время наиболее прогрессивным является поиск WINP при помощи двухфазных (жидкость-газ) детекторов на основе благородных газов, таких как аргон или ксенон. Считается, что WIMP может рассеиваться на обычной материи, выделяя энергию, которую способен зарегистрировать чувствительный низкофоновый детектор. Такой поиск называют прямой регистрацией частиц темной материи, поскольку предполагается непосредственное взаимодействие частиц с детектором. Успешная регистрации WIMP прямым методом дала бы наиболее определенное доказательство того, что эти частицы ответственны за скрытую массу во Вселенной. Мы в ИЯФ СО РАН (лаборатория 3-3) совместно с Новосибирским государственным университетом (лаборатория космологии и физики элементарных частиц) развиваем как раз это направление».
Двухфазные детекторы на основе аргона имеют определенные преимущества относительно ксеноновых детекторов: они более чувствительны к регистрации WIMP и легче масштабируются – увеличение массы рабочего вещества детектора до нескольких сотен тонн позволит в будущем добиться предельной чувствительности детектора. Экспериментальная установка ИЯФ СО РАН небольшая – в ней используется всего около трех литров жидкого аргона, но на ней специалистам удалось всесторонне изучить механизмы излучения в видимом диапазоне без применения сместителей спектра – материалов, способных переизлучать свет в нужный диапазон.
«Часть энергии частиц, регистрируемых в двухфазных детекторах на аргоне, преобразуется в свет в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 128 нанометров», – объясняет Владислав Олейников. – Зарегистрировать такое излучение обычными приборами довольно проблематично, поэтому в подобных установках используют сместитель спектра – специальный органический порошок (как правило, тетрафенил-бутадиен, ТФБ), который напыляют на стенки детектора. Нанесенный материал смещает спектр излучения в видимый диапазон. Но с ТФБ связан ряд проблем: со временем он может растворяться в жидком аргоне или отслаиваться от поверхности детектора при криогенной температуре, необходимой для работы установки. Другая проблема связана со сложностью напыления ТФБ на стенки детектора больших размеров, поскольку эта процедура должна производиться в условиях высокого вакуума. Поэтому исследователи ищут замену этому материалу. Наша группа пошла другим путем и решила изучить возможность работы сразу в видимом диапазоне, без применения сместителя спектра».
Световой сигнал, возникающий в области взаимодействия частицы с веществом детектора, называют сигналом первичных сцинтилляций. При приложении электрического поля часть электронов из жидкости попадает в газ, и при их столкновении с атомами аргона в достаточно высоком электрическом поле возникает свечение за счет эффекта электролюминесценции – такой тип сигнала называется электролюминесцентным. Специалисты ИЯФ СО РАН изучили механизмы сцинтилляции и электролюминесценции в видимом диапазоне и предложили альтернативную концепцию регистрации частиц темной материи, которая может быть использована для поиска WIMP в определенном диапазоне масс.
«До нашей работы информация о механизмах излучения в видимом диапазоне была неполной и разрозненной. На одной установке мы смогли изучить как механизмы электролюминесценции, так и механизмы сцинтилляции в видимом диапазоне. Как и ожидалось, интенсивность излучения в видимом диапазоне оказалась ниже, чем в ультрафиолетовом. Тем не менее, используя электролюминесцентный сигнал, возможно регистрировать WIMP с массой выше 10 ГэВ/с2 . То есть, если частица тяжелая, она передаст ядру аргона достаточно энергии, чтобы мы смогли наблюдать сигнал от нее. А вот сигнал первичных сцинтилляций от WIMP без сместителя спектра зарегистрировать в видимом диапазоне вряд ли получится. Хотя в некоторых экспериментах научились работать даже в режиме регистрации только электролюминесцентного сигнала, – добавил Владислав Олейников. – Если в будущем исследователи откажутся от работы с переизлучателями, потому что поймут, что использование тетрафенил-бутадиена на больших площадях проблематично, то можно будет использовать нашу альтернативную концепцию, которая позволит регистрировать WIMP в определенном диапазоне масс».