Тёмная материя — невидимая форма материи, которая, как считается, составляет около 85% всего вещества во Вселенной. Она не испускает, не поглощает и не отражает свет, но её гравитационное влияние удерживает галактики вместе и формирует крупномасштабную структуру космоса. Источник фото: SciTechDaily.com.
Международная группа учёных выявила три необычных квантовых материала, способных заметно повысить чувствительность поиска тёмной материи. Квантовые расчёты показали, что диселенид титана позволяет будущим детекторам фиксировать некоторые виды лёгкой тёмной материи в тысячу раз лучше, чем используемые сегодня эталонные материалы. Это открывает путь к регистрации частиц, чьё взаимодействие с обычным веществом слишком слабо для стандартных приборов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Помимо диселенида титана (TiSe₂), в список перспективных материалов вошли рутенат стронция (Sr₂RuO₄) и алмаз с дырочной проводимостью. Все они обладают необычными электронными свойствами, которые могут помочь улавливать минимальные переносы энергии от лёгких частиц тёмной материи. Сама тёмная материя, по оценкам, составляет примерно 85% вещества Вселенной, но напрямую зафиксировать её частицу пока не удалось ни одному эксперименту.
Один из подходов к поиску состоит в регистрации небольших порций энергии, которые частица тёмной материи оставляет в детекторе. Для лёгких частиц эта задача сложнее: перенос энергии настолько мал, что существующие материалы не всегда способны его надёжно зафиксировать. Предложенные материалы содержат коллективные электронные возбуждения — плазмоны, то есть согласованные колебания электронов, которые реагируют на крайне малые энергетические вклады.
С помощью квантовомеханического моделирования на основе фундаментальных физических принципов исследователи рассчитали отклик каждого материала на гипотетические взаимодействия с тёмной материей. Результаты говорят о том, что эти материалы могут превзойти нынешние эталонные варианты в широком диапазоне масс частиц. Наибольший потенциал показал диселенид титана: прогнозируемый рост чувствительности составляет от двух до трёх порядков, однако эти оценки пока теоретические и в работающих детекторах не проверены.
Два материала также продемонстрировали чувствительность к направлению: их отклик зависит от того, под каким углом частица тёмной материи попадает в кристалл. Поскольку Земля вращается, ориентация детектора относительно ожидаемого потока частиц меняется, что может давать повторяющееся суточное изменение сигнала. Это помогло бы отделять возможные события тёмной материи от фоновых. Все три материала можно получать известными методами синтеза, а диселенид титана подходит для более масштабного производства. Работу выполнили Йонит Хохберг и Ротем Овадия из Еврейского университета в Иерусалиме, Дино Новко из Института физики в Хорватии и Антонио Политано из Университета Л’Акуилы.