Новый эксперимент TESSERACT предлагает инновационный подход к поиску низкомассовой темной материи – частицы, массы которой примерно в 100–1000 раз легче традиционных WIMP, используемых в предыдущих исследованиях. Дан Маккинзи из Лаборатории Лоуренса Беркли называет их «голдилокс темной материей», что указывает на промежуточное окно для потенциального обнаружения нового фундаментального взаимодействия.
Проект возглавляется Дэном Маккинзи и реализуется в сотрудничестве с Argonne National Laboratory, Caltech, Florida State University, Laboratoire de Physique des 2 Infinis Iréne Joliot-Curie (IJCLab), Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I), Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC), Texas A&M University, UC Berkeley, University of Massachusetts Amherst, University of Zürich и Международным центром по изучению полевых квантовых измерительных систем (QUP).
Первая публикация результатов, размещённая 5 марта на arXiv, не выявила следов темной материи в диапазоне масс от 44 МэВ/2 до 87 МэВ/2. Это значимый дебют, учитывая, что масса протона составляет менее 1000 МэВ/2, а эксперимент LZ фокусировался на сигналах с массой до 9000 МэВ/с², что делает TESSERACT первым прибором, предназначенным для регистрации ядерных рикошетов от частиц с массой ниже 87 МэВ/2.
Высокая чувствительность достигается за счёт использования тщательно инструментированных кремниевых чипов площадью 1 см², разработанных в UC Berkeley и изготовленных в Texas A&M University. Чипы интегрированы с переходными сенсорами (TES) – сверхпроводящими детекторами, работающими при температуре около 8 миллиКельвин (≈ –460°F), что позволяет зафиксировать мельчайший тепловой отклик от взаимодействия с частицей темной материи. Как отметил Vetri Velan, Chamberlain Fellow лаборатории Беркли и со-руководитель анализа, «пониженная температура сенсоров существенно повышает стабильность измерений и снижает уровень фонового шума».
С 2020 года в рамках программы исследований ведётся активная работа по повышению чувствительности детекторов, снижению влияния вибрационных и электромагнитных помех, а также оптимизации рецептуры производства сенсоров, что позволило уменьшить уровень фонового шума в 30 раз. Дальнейшие достижения в области разработки переходных сенсоров имеют важное значение для квантовых технологий, потенциально улучшая характеристики кубитов для квантовых вычислений. Майкл Уильямс, Chamberlain Fellow лаборатории Беркли и со-руководитель анализа, отметил: «Наши сенсоры уже являются лучшими в мире, однако стремление к совершенству подталкивает нас к дальнейшим усовершенствованиям».
Первоначальная установка эксперимента расположена в подвале здания Birge Hall в UC Berkeley, недалеко от места проведения нобелевского эксперимента Джона Клаузера по спутанности фотонов. В планах – перенос полной установки в глубоко расположенную под землей лабораторию Modane Underground Laboratory во Франции, находящуюся под слоем гор толщиной 1700 метров (5600 футов). Строительство стартует в 2025 году, а запуск эксперимента ожидается около 2029 года, что позволит расширить диапазон поиска темной материи до частиц с массой 10 МэВ/2 и увеличить экспериментальный объем от размера «телефонной будки» до шестиканального куба.
В эксперимент интегрированы дополнительные модули, такие как HeRALD (Helium Roton Apparatus for Light Dark Matter) – первый детектор, использующий сверхтекучий гелий для регистрации темной материи, а также SPICE (Sub-ev Polar Interactions Cryogenic Experiment), основанный на использовании кристаллов сапфира и арсенида галлия. Дополнительный сенсорный модуль на основе кремния и германия, разработанный французскими научными коллективами, обеспечивает модульность системы и позволяет быстро менять компоненты для перекрестной проверки сигналов.
Усовершенствования и дальнейшее развитие технологий детекторов нацелены на повышение их чувствительности даже сверх текущих мировых стандартов, что открывает новые возможности для исследований в области низкомассовой темной материи. Улучшенные методы измерения могут стать ключом к выявлению частиц, потенциально взаимодействующих через ранее неизвестное пятое фундаментальное взаимодействие.
Дэна Маккинзи охарактеризовал полученные результаты как «начальный залповый выстрел для TESSERACT», предвещая серию значимых находок в предстоящем десятилетии, что может изменить представление о природе темной материи и иметь перекрестное влияние на развитие квантовой физики.
Изображение носит иллюстративный характер
Проект возглавляется Дэном Маккинзи и реализуется в сотрудничестве с Argonne National Laboratory, Caltech, Florida State University, Laboratoire de Physique des 2 Infinis Iréne Joliot-Curie (IJCLab), Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I), Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC), Texas A&M University, UC Berkeley, University of Massachusetts Amherst, University of Zürich и Международным центром по изучению полевых квантовых измерительных систем (QUP).
Первая публикация результатов, размещённая 5 марта на arXiv, не выявила следов темной материи в диапазоне масс от 44 МэВ/2 до 87 МэВ/2. Это значимый дебют, учитывая, что масса протона составляет менее 1000 МэВ/2, а эксперимент LZ фокусировался на сигналах с массой до 9000 МэВ/с², что делает TESSERACT первым прибором, предназначенным для регистрации ядерных рикошетов от частиц с массой ниже 87 МэВ/2.
Высокая чувствительность достигается за счёт использования тщательно инструментированных кремниевых чипов площадью 1 см², разработанных в UC Berkeley и изготовленных в Texas A&M University. Чипы интегрированы с переходными сенсорами (TES) – сверхпроводящими детекторами, работающими при температуре около 8 миллиКельвин (≈ –460°F), что позволяет зафиксировать мельчайший тепловой отклик от взаимодействия с частицей темной материи. Как отметил Vetri Velan, Chamberlain Fellow лаборатории Беркли и со-руководитель анализа, «пониженная температура сенсоров существенно повышает стабильность измерений и снижает уровень фонового шума».
С 2020 года в рамках программы исследований ведётся активная работа по повышению чувствительности детекторов, снижению влияния вибрационных и электромагнитных помех, а также оптимизации рецептуры производства сенсоров, что позволило уменьшить уровень фонового шума в 30 раз. Дальнейшие достижения в области разработки переходных сенсоров имеют важное значение для квантовых технологий, потенциально улучшая характеристики кубитов для квантовых вычислений. Майкл Уильямс, Chamberlain Fellow лаборатории Беркли и со-руководитель анализа, отметил: «Наши сенсоры уже являются лучшими в мире, однако стремление к совершенству подталкивает нас к дальнейшим усовершенствованиям».
Первоначальная установка эксперимента расположена в подвале здания Birge Hall в UC Berkeley, недалеко от места проведения нобелевского эксперимента Джона Клаузера по спутанности фотонов. В планах – перенос полной установки в глубоко расположенную под землей лабораторию Modane Underground Laboratory во Франции, находящуюся под слоем гор толщиной 1700 метров (5600 футов). Строительство стартует в 2025 году, а запуск эксперимента ожидается около 2029 года, что позволит расширить диапазон поиска темной материи до частиц с массой 10 МэВ/2 и увеличить экспериментальный объем от размера «телефонной будки» до шестиканального куба.
В эксперимент интегрированы дополнительные модули, такие как HeRALD (Helium Roton Apparatus for Light Dark Matter) – первый детектор, использующий сверхтекучий гелий для регистрации темной материи, а также SPICE (Sub-ev Polar Interactions Cryogenic Experiment), основанный на использовании кристаллов сапфира и арсенида галлия. Дополнительный сенсорный модуль на основе кремния и германия, разработанный французскими научными коллективами, обеспечивает модульность системы и позволяет быстро менять компоненты для перекрестной проверки сигналов.
Усовершенствования и дальнейшее развитие технологий детекторов нацелены на повышение их чувствительности даже сверх текущих мировых стандартов, что открывает новые возможности для исследований в области низкомассовой темной материи. Улучшенные методы измерения могут стать ключом к выявлению частиц, потенциально взаимодействующих через ранее неизвестное пятое фундаментальное взаимодействие.
Дэна Маккинзи охарактеризовал полученные результаты как «начальный залповый выстрел для TESSERACT», предвещая серию значимых находок в предстоящем десятилетии, что может изменить представление о природе темной материи и иметь перекрестное влияние на развитие квантовой физики.