Більша частина Всесвіту складається з темної матерії та темної енергії, природа яких залишається невідомою.
За наявними оцінками, близько 95% космічного вмісту не належить до звичайної матерії. Це обмежує сучасні уявлення про фундаментальні закони фізики.
Рупак Махапатра, експериментальний фізик елементарних частинок з Техаського університету A&M, працює над створенням надчутливих напівпровідникових детекторів. Вони базуються на кріогенних квантових сенсорах — “пристроях, що працюють за наднизьких температур для фіксації мінімальних енергетичних сигналів”. Такі інструменти застосовують у міжнародних експериментах з пошуку темної матерії.
Махапатра описує обмеженість знань через образну аналогію. «Це схоже на спробу описати слона, торкаючись лише його хвоста. Ми відчуваємо щось масивне й складне, але охоплюємо лише малу частину», — зазначив фізик. Його команда нещодавно опублікувала результати в журналі Applied Physics Letters.
Темна матерія та темна енергія отримали свої назви через невідомий склад. Темна матерія формує масу галактик і скупчень, впливаючи на їхню структуру. Темна енергія — “явище, пов’язане з прискореним розширенням Всесвіту”.
Обидві компоненти не випромінюють і не поглинають світло. Це унеможливлює їхнє пряме спостереження. Дослідники аналізують лише гравітаційний вплив на рух галактик.
У лабораторіях Texas A&M розробляють детектори з винятковою чутливістю. Вони здатні реєструвати надрідкісні взаємодії частинок з речовиною. Такі сигнали можуть з’являтися раз на роки або десятиліття.
«Проблема в тому, що темна матерія взаємодіє надзвичайно слабо», — пояснив Махапатра. «Нам потрібні детектори, здатні бачити події, які трапляються раз на рік». Його група бере участь у глобальному експерименті TESSERACT.
«Йдеться про інновації», — додав він. «Ми знаходимо способи підсилювати сигнали, раніше приховані шумом». Texas A&M входить до обмеженого кола установ, задіяних у цьому проєкті.
Протягом 25 років Махапатра працює в експерименті SuperCDMS. У 2014 році він став співавтором статті в Physical Review Letters. Там було представлено метод “вольтажно-підсиленого калориметричного іонізаційного детектування”.
Цей підхід дозволив досліджувати низькомасивні WIMP — “гіпотетичні частинки зі слабкою взаємодією”. У 2022 році вчений долучився до роботи про комбінування різних методів пошуку. «Жоден експеримент не дасть усіх відповідей», — зазначив Махапатра.
Він підкреслює практичне значення досліджень. «Якщо ми виявимо темну матерію, це відкриє нову главу фізики», — сказав учений. За його словами, розвиток сенсорних технологій може привести до непередбачуваних застосувань.
WIMP розглядають як одного з головних кандидатів на роль темної матерії. Такі частинки можуть проходити крізь Землю без сигналу. Тому експерименти потребують багаторічних спостережень для фіксації навіть одиничної події.