حسگرهای ابررسانا می‌توانند سیگنال فوتون‌های با انرژی پایین را آشکارسازی کنند. اکنون محققان از این قابلیت در آزمایش‌های ماده تاریک استفاده کرده‌اند.

[وجود] ذرات ماده تاریک فرضی با جرم حدود کمتر از MeV ۱ با رصدهای نجومی رد نشده، اما آشکارسازی مستقیم آنها دشوار است. اکنون لورا بادیس (Laura Baudis) و همکارانش از دانشگاه زوریخ به منظور بررسی این محدوده جرمی آزمایش آشکارسازی مستقیمی را انجام داده‌اند [۱]. این نتایج حدهای جدیدی بر مدل‌های ذرات ماده تاریک با جرم‌هایی به کوچکی keV/c² ۳۰ ایجاد کرده است.

بیشتر آزمایش‌های آشکارسازی مستقیم بر ماده تاریکی متمرکز بوده که جرم آن با جرم ذرات بنیادی شناخته‌شده هم‌پوشانی دارد. اگر ذرات ماده تاریک خیلی سبک‌تر باشند، انرژی لازم برای ایجاد رویدادهای برانگیختگی یا یونیزاسیون، که آشکارسازهای فوتون نیم‌رسانای استاندارد می‌توانند ببینند، ندارند. پژوهشگران – از جمله برخی از افراد گروه بادیس - در یک اثبات مفهوم (POC) در سال ۲۰۲۲ ابزاری را آزمایش کردند که به رخدادهای انرژی‌های پایین‌تر حساس است: آشکارساز تک‌فوتون با نانوسیم ابررسانا (SNSPD) (به خلاصه مقاله Dark Matter Goes Down to the Wire ماجعه کنید) [۲]. در SNSPDها، فوتون‌های کم‌انرژی – و به‌طور بالقوه ذرات ماده تاریک – با شکستن جفت‌های کوپر حامل ابَرجریان تغییرات قابلِ‌ اندازه‌گیری‌ای در ویژگی‌های الکترونیک ابزارها ایجاد می‌کنند.

بادیس و همکاران جدیدترین SNSPD خود را برای آشکارسازی ماده تاریک بهینه‌سازی کردند. به‌ویژه به منظور بیشینه کردن سطح مقطع، آن را به جای نانوسیم با میکروسیم ابَررسانا مجهز کردند. همچنین به دلیل ایجاد حساسیت وابسته به جهت، هندسه‌ای نازک و مسطح به آن دادند. هر سیگنال ماده تاریک باید در راستای حرکت خورشید درون راهِ شیری قوی‌تر باشد، بنابراین وابستگی به جهت، به فیلتر کردن رخدادهایی که به ماده تاریک مربوط نیستند کمک می‌کند.

محققان می‌گویند که بهبود این تکنیک به آنها اجازه می‌دهد تا به آستانه keV/c² ۱ برسند، آستانه‌ای که مدل‌های ماده تاریک در مقدارهای پایین‌تر از آن با محدودیت‌های اخترفیزیکی و کیهان‌شناسی مواجه می‌شوند.

[1] L. Baudis et al., “First sub-MeV dark matter search with the QROCODILE experiment using superconducting nanowire single-photon detectors,” Phys. Rev. Lett. 135, 081002 (2025).

[2] Y. Hochberg et al., “New constraints on dark matter from superconducting nanowires,” Phys. Rev. D 106, 112005 (2022).

منبع:

New Device for Detecting Lightweight Dark Matter