Ученые Института ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН) в недавних исследованиях по поиску темной материи при помощи двухфазного криогенного детектора получили интересные фундаментальные результаты. Физики обратили внимание на тормозное излучение электронов на нейтральных атомах — дополнительный механизм электролюминесценции, благодаря которой можно зарегистрировать частицы темной материи.
Ученые экспериментально установили, что ранее не учитываемый механизм может не только упростить и удешевить детектирующие установки, но и повлиять на точность экспериментов по поиску темной материи. Эти результаты могут быть полезны различным проектам: например, международной коллаборации DarkSide (международного объединения ученых, цель которого — разработать способы впрямую наблюдать темную материю).
Двухфазный криогенный детектор ИЯФ СО РАН работает на жидком аргоне и предназначен для поиска «вимпов» (WIMP:WeaklyInteractingMassiveParticle — слабо взаимодействующие массивные частицы).
Эти гипотетические частицы на сегодня — кандидаты на роль основного компонента темной материи. Прямой поиск таких частиц производят на детекторах темной материи. Принцип работы таких устройств — наблюдать события предполагаемого упругого рассеяния вимпов (такой вид столкновения частиц, при котором их внутренние состояния не меняются, а меняется лишь импульс). Чтобы наблюдать эти явления, необходимо рабочее вещество, в котором и происходит рассеяние. И в данном случае эту роль исполняет газ аргон.
Предположительная масса вимпов составляет 10 ГэВ, а энергетический сигнал от них ожидается порядка 7 кэВ и меньше, — отмечает пресс-служба ИЯФа.
— Сигнал первичных световых вспышек от ядер отдачи с такими низкими энергиями может оказаться слишком мал, чтобы его зарегистрировать, — рассказала младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Екатерина Шемякина. — Поэтому ученым требуется регистрировать первичную ионизацию. Один из способов это сделать — зарегистрировать процесс электролюминесценции в газовой среде детектора. Суть ее в том, что электроны первичной ионизации, вытянутые под действием электрического поля через границу раздела фаз, возбуждают атомы газа, что приводит к появлению излучения, которое уже могут зарегистрировать существующие фотодетекторы.
Детектор ИЯФ СО РАН с криогенной камерой объемом 10 л способен обнаруживать одиночные электроны первичной ионизации с рекордным (~1 мм) пространственным разрешением.
— Электролюминесценция в аргоне происходит за счет излучения возбужденных атомов в вакуумном ультрафиолете, которое нельзя зарегистрировать напрямую при помощи обычной научной аппаратуры. Поэтому, чтобы перевести излучение в видимую область, перед сенсорами этих приборов ставят лист оргстекла с нанесенными на него спектросмещающими веществами. Но из-за этого снижается эффективность детектора, — комментирует исследователь.
Чтобы попытаться избежать этой неприятности, ученые провели эксперименты по наблюдению электролюминесценции в видимой области излучения в чистом аргоне. Оказалось, что даже без пленки спектросмещающих веществ видимый свет все равно регистрируется. Изучив литературу, физики нашли причину происходящего в экспериментах. Электролюминесценция в этом случае происходит благодаря тормозному излучению электронов в электростатических полях нейтральных атомов.
— В последние 30 лет об этом эффекте никто ничего не писал. Тормозное излучение на нейтральных атомах было забыто по причине, что вторичные световые вспышки полностью объясняли механизмами, основанными на прямом возбуждении атомов благородного газа электронами, — рассказывает Екатерина Шемякина. — Мы учли тормозное излучение на нейтральных атомах, и это позволило нам повысить эффективность детекторов, поскольку отпала необходимость размещать перед ними стекло со спектросмещающими добавками. Теперь мы используем гейгеровские лавинные фотодиоды безо всяких покрытий. Мы выяснили, что спектр тормозного излучения охватывает ультрафиолетовый диапазон и заходит глубоко в инфракрасный диапазон. А это означает, что зарегистрировать тормозные вспышки может любой фотодетектор. Таким образом, мы упростили и удешевили наш прототип детектора для поиска темной материи.
Но более важный вывод из проведенных экспериментов в другом, подчеркивают ученые.
— Наши результаты показали, что если не учитывать присутствие электролюминесценции в видимом диапазоне, эксперименты по поиску темной материи могут быть некорректными. Эти фундаментальные результаты могут пригодиться различным проектам по поискам темной материи: например, международной коллаборации DarkSide, в которой принимают участие ИЯФ СО РАН и НГУ, — резюмирует исследователь.
