Под канадской шахтой на глубине больше двух километров физики вывели в рабочий режим один из самых холодных экспериментов в мире. Установка SuperCDMS достигла базовой температуры, после чего команда впервые смогла включить детекторы и перейти от многолетней сборки к реальным измерениям. Для проекта началась главная часть работы: поиск частиц тёмной материи, которые до сих пор никто не зарегистрировал напрямую.
Внутри системы температура держится всего на несколько тысячных градуса выше абсолютного нуля. В глубоком космосе обычно теплее. Столь сильное охлаждение нужно не ради красивой цифры, а ради тишины на уровне вещества. Когда материал почти перестаёт дрожать от тепла, фоновый шум резко падает. В такой среде приборы могут уловить очень слабые сигналы, которые в обычных условиях просто растворились бы в помехах.
Именно за такими сигналами и охотится SuperCDMS. По современным оценкам, тёмная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной. Астрономы видят её косвенно: по тому, как гравитация влияет на галактики и на крупные структуры космоса. Из чего состоит такая материя, физика пока не знает. Одна из основных гипотез предполагает, что частицы тёмной материи постоянно проходят сквозь Землю и почти не взаимодействуют с обычным веществом. Тогда задача подземной установки сводится к редчайшему событию: заметить момент, когда одна из таких частиц всё же сталкивается с атомами внутри детектора.
Руководитель коллаборации Присцилла Кушман из Школы физики и астрономии Университета Миннесоты назвала выход на базовую температуру главным рубежом многолетней работы по созданию низкофоновой площадки для чувствительных криогенных твердотельных детекторов. По её оценке, нынешний режим открывает новую область параметров, где могут скрываться самые лёгкие частицы тёмной материи. Для подобных поисков такая чувствительность особенно важна: чем меньше масса гипотетической частицы, тем слабее энергия возможного взаимодействия и тем легче пропустить нужный след.
Главная проблема в подобных экспериментах связана не только с холодом, но и с фоном. Следовые количества радиоактивности, нейтроны и вторичные частицы могут дать сигнал, похожий на нужный, и сорвать всю охоту. Поэтому команда Университета Миннесоты отдельно разработала систему защиты вокруг установки. Конструкция представляет собой цилиндр высотой 4 метра и диаметром 4 метра. Внутри уложены слои сверхчистого свинца, которые задерживают гамма-излучение, и плотного полиэтилена, который ослабляет поток нейтронов.
Даже под землёй фон никуда не исчезает полностью. Космические лучи, сталкиваясь со стенками подземной выработки, могут рождать частицы, мешающие измерениям. По этой причине SuperCDMS разместили в лаборатории SNOLAB, работающей в действующей никелевой шахте рядом с Садбери в провинции Онтарио. Глубина около 6800 футов, то есть более 2 километров, даёт естественный экран из породы и заметно снижает поток частиц, приходящих с поверхности.
Университет Миннесоты занимался не только защитой и монтажом. Исследователи помогали устанавливать систему, охлаждать её до рабочего режима, а параллельно готовили инструменты для обработки будущих данных. Команда уже разработала алгоритмы реконструкции и методы анализа, которые должны быстро отделять возможные сигналы тёмной материи от обычных фоновых событий после старта полноценного набора данных в ближайшие месяцы. Ведущую роль в научной части играет доцент Ян Лю, который возглавляет рабочую группу по анализу.
Следующий этап займёт несколько месяцев. Физики начинают ввод детекторов в работу: будут по очереди включать каналы, калибровать их, проверять стабильность и тонко настраивать каждый элемент системы. Только после такой доводки установка сможет перейти к полноценным научным наблюдениям, когда необычные события будут рассматривать уже как реальные кандидаты на новую физику, а не как артефакты запуска.
Приборы SuperCDMS пригодятся не только для поиска тёмной материи. Эксперимент позволит изучать редкие изотопы, работать в диапазонах энергий, которые раньше почти не измеряли, и проверять, не скрываются ли в данных неизвестные типы взаимодействий между частицами. Подобные установки ценны именно широтой возможностей: охота за одной гипотезой нередко приносит результаты совсем в других разделах физики низких энергий.
Проект поддерживают Управление науки Министерства энергетики США, Национальный научный фонд США, Канадский фонд инноваций и Канадский совет по естественным и инженерным наукам. В команду Университета Миннесоты входят также постдоки Шубхам Пандей и Химангшу Неог, научный сотрудник Скотт Фэллоуз, аспиранты Закари Уильямс, Эллиотт Таннер и Чи Кэп. Для всей коллаборации нынешний этап означает очень конкретную вещь: годы подготовки закончились, и теперь установка впервые начинает всерьёз слушать пространство, где физики давно подозревают присутствие невидимой материи.