Совершенные кристаллы алмаза могут стать отличными детекторами для поиска экзотических легких частиц загадочной темной материи.
Темная материя остается одной из самых интересных загадок современной физики. С одной стороны, множество астрономических наблюдений указывают на существование невидимых и массивных частиц, которые никак не взаимодействуют с обычной материей, помимо притяжения. На больших масштабах гравитационное влияние темной материи можно оценить довольно точно: ученые составляют карты ее распределения и считают, что именно она играет ключевую роль в эволюции крупных структур, галактик и скоплений.
Однако на практике обнаружить прямые свидетельства существования частиц темной материи так и не удается. Предсказываемые самой популярной из теорий тяжелые «вимпы» не находят детекторы ни в космосе, ни на Земле, в том числе в следах столкновений частиц в коллайдерах. Эта проблема заставляет физиков не оставлять альтернативные гипотезы. Одна из них предполагает, что масса частиц темной материи может быть не так велика (вимпы оцениваются в 30-100 гигаэлектронвольт (ГэВ), в десятки раз тяжелее протона) и не достигать 1 ГэВ.
Обнаружить такие частицы и должны алмазы — надежду на это дает работа команды физиков из Израиля и США, статья которых опубликована в журнале Physical Review D. Авторы показали, что при прохождении сквозь кристаллическую структуру в редких случаях частицы темной материи должны сталкиваться с ядрами атомов и отдавать им часть энергии. Вызванные этим колебания будут распространяться по решетке, и их волны можно обнаруживать датчиками. Для минимизации собственных колебаний атомов «алмазный детектор» предлагается охлаждать до криогенной температуры — почти до абсолютного нуля.
Стоит сказать, что подобным образом устроены некоторые уже использующиеся детекторы темной материи. Однако до сих пор в них применялись такие кристаллические вещества, как кремний и германий. В сравнении с ними атомы углерода в алмазе намного легче, что и позволяет им служить удобными сенсорами для поиска сравнительно легких частиц. Авторы также отмечают, что современные технологии позволяют получать исключительно совершенные и достаточно крупные алмазные кристаллы и избавляться от примесей редких изотопов.