Ученые Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева и Института физики микроструктур РАН создали высокочувствительные детекторы, которые могут применяться для обнаружения аксионов – предсказанных, но еще не изученных частиц, из которых, предположительно, состоит темная материя.
Ведущий научный сотрудник Центра квантовых технологий Андрей Панкратов рассказал, как изобретение нижегородских ученых должно помочь России выиграть «гонку» за темной материей и каким образом используемые для этого приборы изменяют подходы к диагностике опасных болезней.
- Темная материя – загадочная субстанция. Ученые знают, что она есть и даже дали ей такое романтичное название, но пока никто не может ее поймать. Почему она такая неуловимая?
- Темная материя – это пока гипотеза ученых, которая основывается на большом количестве экспериментальных данных. Например, еще в 30-е годы ХХ века, когда астрономы научились определять массы небесных тел, стало очевидным, что этой массы недостаточно, чтобы удерживать звезды в созвездиях. Они должны были бы просто разлететься во все стороны, но почему-то формируют скопления. Значит, что-то их удерживает, «склеивает» галактики в единую систему.
Так исследователи пришли к выводу, что существует какая-то дополнительная материя, участвующая в гравитационном взаимодействии, которую пока невозможно уловить. Чувствительность применяемых приборов не позволяла «увидеть» это вещество.
В настоящее время считается, что примерно 5% Вселенной составляет обычная материя – так называемая барионная, которую ученые уже давно изучили, а еще 25% – это темная материя, состоящая из каких-то очень легких, неизвестных пока частиц и оказывающая гравитационное воздействие на небесные тела. «Кандидатами» на роль частиц темной материи являются так называемые ВИМПы (от английской аббревиатуры WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, слабо взаимодействующие массивные частицы) и аксионы – ультралегкие частицы, сочетающие признаки частицы и волны.
Когда было теоретически предсказано существование темной материи, в мире началась научная «гонка», в которую включились ведущие лаборатории США, Германии, Швеции, Италии, Южной Кореи, Австралии. Все пытаются обнаружить темную материю, но пока безрезультатно.
- А в чем важность этих исследований? Почему так уж необходимо поймать эту неуловимую темную материю?
- Чтобы ответить на вечные вопросы, которые ставит перед нами мироздание: как устроен наш мир, откуда мы взялись и одни ли мы во Вселенной. Хотя, безусловно, параллельно эти фундаментальные исследования позволяют решать и вполне земные, прикладные задачи.
- А как далеко в «гонке» за темной материей продвинулись представители России?
- Российские ученые входят в научные группы, объединяющие представителей разных стран. Безусловно, каждому государству хотелось бы стать первооткрывателем темной материи, но большая часть исследований все-таки ведется совместно, с участием нескольких партнеров.
Например, коллаборация «Альфа», базирующаяся в США, включает представителей Швеции, а также России – Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО). Наши ученые участвуют в исследованиях, публикуют совместные статьи. Конечно, какие-то проблемы, связанные с санкциями, возникают. Например, в совместных исследованиях по поиску аксионов с коллегами из ПИЯФ перестали сотрудничать представители Германии.
Если честно, до недавнего времени Россия не очень активно занималась поиском темной материи, но, например, сейчас это направление планирует развивать Национальный центр физики и математики, который создается в Сарове Нижегородской области.
- Каким образом исследования нижегородского Политеха и Института физики микроструктур РАН оказались полезны в поиске темной материи?
- Наша сфера – уникальные высокочувствительные детекторы, которые как раз очень хорошо подходят для того, чтобы начать поиск темной материи силами российских исследователей.
НГТУ давно сотрудничает с Институтом физики микроструктур РАН, основатель института Сергей Викторович Гапонов был выпускником Политеха, а в 2010 году стартовали масштабные совместные исследования в области физики низких температур. Тогда в стенах НГТУ возникла лаборатория, оборудованная криостатами для исследований при сверхнизких температурах. Создатель лаборатории Леонид Сергеевич Кузьмин в то время был профессором Чалмерского университета в Швеции, и сотрудники лаборатории проходили там стажировки в области нанотехнологий. Позже, в 2020 году, был создан Центр квантовых технологий – базовый центр Института физики микроструктур РАН в стенах НГТУ, и одним из результатов его работы стал перенос технологии изготовления высокочувствительных детекторов из Швеции на нижегородскую землю. Эти работы выполняются при поддержке Российского научного фонда.
- Это научное импортозамещение?
- Да, именно так. Теперь наши детекторы – полностью отечественные, от идеи до воплощения.
- И что умеют эти детекторы?
- Мы создаем детекторы двух типов. Во-первых, болометры на холодных электронах. Их преимущество в том, что они обладают высокой чувствительностью благодаря эффекту электронного охлаждения и рекордной радиационной стойкостью. Это делает их хорошим прототипом для применения на научных исследовательских спутниках. А второй тип детекторов – это детекторы одиночных фотонов, они работают в диапазоне мобильной связи 5G. Раньше мы могли просто измерить фотонный шум, доказав тем самым, что электромагнитное излучение представляет собой поток фотонов, а теперь можем ловить единичные фотоны. Вот как раз такие детекторы и важны для обнаружения темной материи и конкретно аксионов.
- Получается, ученые НГТУ и ИФМ РАН приблизились к тому, чтобы обнаружить аксионы?
- Да, раньше сигнал, который подают аксионы, в этом диапазоне частот наблюдать было просто-напросто нечем, а теперь у нас есть подходящие инструменты и мы можем начать в России такие опыты.
- Можно ли сделать прогноз, сколько времени потребуется на то, чтобы обнаружить аксионы?
- Это очень сложный вопрос. Пока теоретики предсказывают характерную частоту аксионов в очень широком диапазоне. Работы здесь непочатый край, нам предстоят месяцы и годы кропотливых исследований. На один запуск криостата уходит неделя, и за это время можно исследовать только очень узкий диапазон частот.
Но, к счастью, теоретики тоже продолжают работать и все больше уточняют диапазон, в котором возможно обнаружить аксионы. Сейчас наиболее вероятный диапазон составляет от 5 до 50 Гигагерц, как раз в нем и работают наши детекторы.
- Какие еще задачи, помимо поиска темной материи, позволяют решать детекторы, созданные нижегородскими учеными?
- Мы создаем высокочувствительные детекторы для радиоастрономии и поиска темной материи, но подобные охлаждаемые приемники могут быть использованы, например, в медицине для анализа выдыхаемых газов, это направление активно развивается в Институте физики микроструктур РАН. Пока применяется элементная база, основанная на неохлаждаемых устройствах. Но если использовать криостаты замкнутого цикла, то анализы станут намного точнее и продуктивнее.
Человек просто выдыхает воздух, и на основании его анализа ставится диагноз и назначается лечение. Нет необходимости в диагностических хирургических вмешательствах, даже «просвечивать» пациента не нужно! Фактически мы стоим на пороге революции в диагностике – физика низких температур готова войти в каждое медицинское учреждение, подобно тому, как уже вошла томография, использующая сверхпроводниковые магниты. И, возможно, даже в каждый дом, если такие анализаторы станут портативными.
Реклама. НГТУ ИНН 5260001439 www.nntu.ru erid: 2SDnjdYMqjr
