Fysiker från Brown University har tagit fram en ny strategi för att direkt detektera mörk materia, det svårfångade materialet som tros stå för majoriteten av materia i universum.

Den nya strategin, som är designad för att upptäcka interaktioner mellan mörk materia partiklar och en balja med superfluid helium, skulle vara känsligt för partiklar i ett mycket lägre massintervall än vad som är möjligt med något av de storskaliga experimenten som hittills genomförts, säger forskarna.

"De flesta av de storskaliga sökningarna av mörk materia hittills har letat efter partiklar med en massa någonstans mellan 10 och 10, 000 gånger massan av en proton, sa Derek Stein, en fysiker som var medförfattare till arbetet med två av sina Brown University-kollegor, Humphrey Maris och George Seidel. "Under 10 protonmassor, dessa experiment börjar förlora sin känslighet. Vad vi vill göra är att utöka känsligheten ner i massa med tre eller fyra storleksordningar och utforska möjligheten av mörk materia partiklar som är mycket lättare."

En artikel som beskriver den nya detektorn publiceras i Fysiska granskningsbrev .

Saknas materia

Även om det ännu inte har upptäckts direkt, fysiker är ganska säkra på att mörk materia måste existera i någon form. Sättet på vilket galaxer roterar och i vilken grad ljuset böjer sig när det färdas genom universum tyder på att det finns någon form av osynliga saker som kastar dess gravitation runt.

Den ledande idén för mörk materias natur är att det är någon form av partikel, om än en som mycket sällan interagerar med vanlig materia. Men ingen är helt säker på vad en mörk materiepartikels egenskaper kan vara eftersom ingen ännu har registrerat en av dessa sällsynta interaktioner.

Det har funnits goda skäl, Stein säger, att söka i det massintervall där de flesta experiment med mörk materia har fokuserat hittills. En partikel i det massintervallet skulle binda upp många lösa teoretiska ändar. Till exempel, teorin om supersymmetri – tanken att alla vanliga partiklar vi känner och älskar har dolda partnerpartiklar – förutsäger kandidater för mörk materia i storleksordningen hundratals protonmassor.

Men utebliven av dessa partiklar i experiment hittills har fått vissa fysiker att fundera på hur man ska leta någon annanstans. Detta har fått teoretiker att föreslå modeller där mörk materia skulle ha mycket lägre massa.

Ett nytt tillvägagångssätt

Detektionsstrategin som Brown-forskarna har kommit fram till involverar en balja med superfluid helium. Tanken är att partiklar av mörk materia som passerar genom badkaret ska, vid mycket sällsynta tillfällen, smälla in i en heliumatoms kärna. Den kollisionen skulle producera fononer och rotoner - små excitationer som ungefär liknar ljudvågor - som fortplantar sig utan förlust av kinetisk energi inuti supervätskan. När dessa excitationer når vätskans yta, de kommer att göra att heliumatomer släpps ut i ett vakuumutrymme ovanför ytan. Detekteringen av de frigjorda atomerna skulle vara signalen om att en interaktion med mörk materia har ägt rum i karet.

"Den sista biten är den knepiga delen, sa Maris, som har arbetat med liknande heliumbaserade detektionsscheman för andra partiklar som solneutriner. Kollisionen av en mörk partikel med låg massa kan resultera i att endast en enda atom frigörs från ytan. Den enda atomen skulle bara bära omkring en milli-elektronvolt energi, vilket gör det praktiskt taget omöjligt att upptäcka på något traditionellt sätt. Det nya med detta nya detektionsschema är ett sätt att förstärka den lilla, enatoms energisignatur.

Det fungerar genom att generera ett elektriskt fält i vakuumutrymmet ovanför vätskan med hjälp av en rad små, positivt laddade metallstift. När en atom som frigörs från heliumytan närmar sig en stift, den positivt laddade spetsen kommer att stjäla en elektron från den, skapar en positivt laddad heliumjon. Den nyskapade positiva jonen skulle vara i närheten av det positivt laddade stiftet, och eftersom lika laddningar stöter bort varandra, jonen kommer att flyga iväg med tillräckligt med energi för att lätt kunna upptäckas av en standardkalorimeter, en enhet som upptäcker en temperaturförändring när en partikel kommer in i den.

"Om vi ​​sätter 10, 000 volt på de där små stiften, då kommer den där jonen att flyga iväg med 10, 000 volt på den, "Så det är denna joniseringsfunktion som ger oss ett nytt sätt att upptäcka bara den enda heliumatom som kan associeras med en mörk materiainteraktion."

Känslig vid låg massa

Den här nya sortens detektorer skulle inte vara den första att använda tanken med vätskegas. Det nyligen avslutade experimentet Large Underground Xenon (LUX) och dess efterföljare, LUX-ZEPLIN, båda använder badkar med xenongas. Att istället använda helium ger en viktig fördel för att leta efter partiklar med lägre massa, säger forskarna.

För att en kollision ska kunna upptäckas, den inkommande partikeln och målatomkärnorna måste vara av kompatibel massa. Om den inkommande partikeln är mycket mindre i massa än målkärnorna, varje kollision skulle resultera i att partikeln helt enkelt studsar av utan att lämna ett spår. Eftersom LUX och L-Z är avsedda för detektion av partiklar med massa större än fem gånger en protons, de använde xenon, som har en kärna på cirka 100 protonmassor. Helium har en kärnmassa som bara är fyra gånger så stor som en proton, gör ett mer kompatibelt mål för partiklar med mycket mindre massa.

Men ännu viktigare än ljusmålet, forskarna säger, är förmågan hos det nya schemat att detektera endast en enda atom som avdunstat från heliumytan. Den typen av känslighet skulle göra det möjligt för enheten att upptäcka de små mängder energi som deponeras i detektorn av partiklar med mycket små massor. Brown-teamet tror att dess enhet skulle vara känslig för massor ner till ungefär två gånger massan av en elektron, ungefär 1, 000 till 10, 000 gånger lättare än de partiklar som hittills kan detekteras i storskaliga experiment med mörk materia.

Stein säger att de första stegen för att faktiskt göra en sådan detektor till verklighet kommer att vara grundläggande experiment för att bättre förstå aspekter av vad som händer i superfluid helium och den exakta dynamiken i joniseringsschemat.

"Från dessa grundläggande experiment, " säger Stein, "vi skulle skapa mönster för ett större och mer komplett experiment med mörk materia."