MINER детекторы Техас A&M университетіндегі TRIGA реакторында төмен энергиялы нейтриноны іздеу үшін қолданылады. Бұл сапфирлі детектор тек реакторлық нейтриноны анықтап қана қоймай, сонымен қатар қара материяны іздеуге де қатыса алады. Бұл жаңа физика саласында жаңалықтар ашуға және ядролық қаруды таратпауға бақылау жасауға мүмкіндік береді.

Ғаламның құпиялары: қара материя мен энергия

Ғарышты зерттеуде айтарлықтай жетістіктерге қарамастан, қазіргі ғылыми білім бүкіл суреттің тек аз ғана бөлігін қамтиды. Ғаламның шамамен 95%-ын қара материя мен қара энергия құрайды, ал бізге таныс материя бар болғаны 5% ғана. Техас A&M университетінің эксперименттік бөлшек физигі доктор Рупак Махапатра осы жасырын бөлікті ашу үшін криогендік кванттық сенсорлары бар заманауи жартылай өткізгіш детекторларды әзірлеуде. Бұл технологиялар әлем бойынша жүргізілетін тәжірибелерді қолдап, ғалымдарға ғылымдағы ең үлкен жұмбақтардың бірін тереңірек түсінуге көмектеседі.

Махапатра адамзаттың Ғаламды шектеулі түсінуін белгілі бір аңызбен салыстырады: «Бұл пілдің тек құйрығын сипалап, оны сипаттауға тырысқанмен бірдей. Біз алып әрі күрделі нәрсені сеземіз, бірақ оның тек кішкене бөлігін ғана қабылдаймыз». Жақында оның және әріптестерінің жұмысы беделді Applied Physics Letters журналында жарияланды.

Қара материя мен қара энергия дегеніміз не?

Қара материя мен қара энергия өз атауларын олар туралы өте аз білетінімізден алған. Қара материя галактикалар мен олардың шоғырларының негізгі массасын құрайды және олардың құрылымының қалыптасуында маңызды рөл атқарады. Қара энергия — Ғаламның үдемелі кеңеюіне жауапты күш. Қарапайым тілмен айтқанда, қара материя — ғарыштық желім, ал қара энергия — кеңістікті барған сайын жылдам кеңейтетін күш.

Екеуі де өте кең таралғанымен, қара материя да, қара энергия да жарықты шығармайды, жұтпайды және шағылыстырмайды, сондықтан оларды тікелей бақылау өте қиын. Ғалымдар олардың әсерін гравитация арқылы зерттейді, ол галактикалардың қозғалысын және ірі құрылымдардың қалыптасуын анықтайды. Қара энергия Ғаламдағы барлық энергияның шамамен 68%-ын, ал қара материя — шамамен 27%-ын құрайды.

Көрінбейтінді іздеуге арналған детекторлар

Махапатра тобының Техас A&M университетіндегі жұмысы «дауылдағы сыбырды ұстауға» ұқсайды — олардың детекторлары ерекше сезімтал. Бұл құрылғылар әдеттегі материямен өте сирек әрекеттесетін бөлшектерді тіркеуге арналған, ал мұндай өзара әрекеттесулер қара материяның табиғатын ашуға кілт болуы мүмкін.

«Мәселе мынада, қара материя өте әлсіз әрекеттеседі, сондықтан бізге жылына немесе тіпті он жылда бір рет болатын оқиғаларды тіркей алатын детекторлар қажет», — дейді Махапатра. Оның командасы TESSERACT детекторын пайдаланып, әлемдегі жетекші қара материяны іздеу жобасына қатысты. «Бәрі инновацияда. Біз бұрын шу ішінде жоғалып кеткен сигналдарды күшейтудің жолдарын іздейміз». Техас A&M университеті TESSERACT тәжірибесіне қатысатын аз ғана мекемелердің бірі.

Ғылым шекарасын кеңейту

Махапатраның қазіргі жұмысы бөлшектерді тіркеу әдістерін жетілдірудегі ондаған жылдық тәжірибеге негізделген. 25 жыл ішінде ол әлемдегі ең сезімтал қара материя іздеулерінің бірі — SuperCDMS тәжірибесіне қатысты. 2014 жылы Physical Review Letters журналында жарияланған маңызды мақалада Махапатра мен әріптестері SuperCDMS тәжірибесінде кернеу арқылы калориметриялық иондау әдісін ұсынды. Бұл жаңалық ғалымдарға бұрын қолжетімсіз болған төмен массалы WIMP бөлшектерін зерттеуге мүмкіндік берді.

2022 жылы Махапатра тағы бір зерттеудің авторы болды, онда WIMP іздеудің әртүрлі тәсілдері, соның ішінде тікелей және жанама анықтау, сондай-ақ коллайдерлік тәжірибелер қарастырылды. Бұл жұмыс қара материя мәселесін шешу үшін түрлі стратегияларды біріктірудің маңыздылығын көрсетеді.

«Бірде-бір тәжірибе бізге барлық жауапты бермейді, — дейді Махапатра. — Бізге толық суретті құрастыру үшін әртүрлі әдістердің синергиясы қажет».

Бұл неге маңызды

Қара материяны түсіну тек академиялық қызығушылықпен шектелмейді — ол Ғаламның өзін басқаратын іргелі қағидаларды ашуы мүмкін. «Егер біз қара материяны анықтай алсақ, физикада жаңа тарау ашамыз, — деп есептейді Махапатра. — Іздеу үшін аса сезімтал технологиялар қажет, бұл біз қазір елестете алмайтын жаңалықтарға әкелуі мүмкін».

WIMP дегеніміз не?

WIMP (әлсіз әрекеттесетін массивті бөлшектер) — қара материяны түсіндірудің ең ықтимал гипотезаларының бірі. Бұл гипотетикалық бөлшектер гравитация және әлсіз ядролық өзара әрекеттесу арқылы әсер етеді, сондықтан оларды анықтау өте қиын.

Бұл неге маңызды

Егер WIMP бар болса, олар Ғаламдағы жетіспейтін массаны түсіндіре алады.

Іздеу қалай жүргізіледі

SuperCDMS және TESSERACT сияқты тәжірибелер WIMP пен кәдімгі материя арасындағы сирек өзара әрекеттесулерді тіркеу үшін абсолюттік нөлге жуық температураға дейін салқындатылған аса сезімтал детекторларды пайдаланады.

Негізгі қиындық

WIMP бөлшектері Жерді ешқандай із қалдырмай өтіп кете алады, сондықтан зерттеушілерге бір ғана оқиғаны тіркеу үшін жылдар бойы деректер жинау қажет болуы мүмкін.