Fisikawan telah menciptakan detektor baru yang mampu menyelidiki partikel materi gelap pada massa rendah yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Sekitar 80 persen dari massa alam semesta diyakini sebagai materi gelap, namun tata rias dan organisasi partikelnya sebagian besar masih belum diketahui, meninggalkan fisikawan dengan pertanyaan mendasar. Untuk menyelidiki bahan yang sulit dipahami ini, para ilmuwan bekerja untuk mendeteksi foton, atau partikel cahaya, yang dapat diproduksi ketika partikel materi gelap bertabrakan dengan materi biasa yang kita tahu.

Hingga saat ini, sebagian besar pencarian menargetkan materi gelap dengan massa yang sebanding dengan partikel elementer yang akrab. Jika partikel lebih ringan dari elektron, instrumen terkemuka yang digunakan saat ini, yang mengandalkan xenon cair, tidak mungkin mendaftarkannya.

Sejauh ini belum ada percobaan yang mengamati materi gelap. Ketidakhadiran ini masih penting, karena mengesampingkan partikel materi gelap dalam rentang massa spesifik dan kekuatan interaksi yang sudah diuji.

Perangkat baru yang peka terhadap peristiwa berenergi rendah

Sebuah tim internasional yang dipimpin oleh Laura Baudis, Titus Neupert, Björn Penning, dan Andreas Schilling dari Departemen Fisika Uzh sekarang telah mampu menyelidiki keberadaan partikel materi gelap di berbagai massa di bawah satu mega elektron Volt (MEV). Menggunakan detektor foton tunggal (SNSPD) nanowire yang lebih baik, para peneliti mencapai ambang sensitivitas sekitar sepersepuluh massa elektron, di atasnya partikel materi gelap sangat tidak mungkin ada.

“Ini adalah pertama kalinya kami dapat mencari partikel materi gelap dalam kisaran massa yang rendah, dimungkinkan oleh teknologi detektor baru,” kata penulis pertama Laura Baudis.

Dalam bukti konsep tahun 2022, para peneliti telah menguji perangkat SNSPD pertama yang sangat sensitif terhadap foton berenergi rendah. Ketika a foton Menyerang kawat nano, memanaskannya sedikit dan menyebabkannya secara instan kehilangan superkonduktivitasnya. Kawat secara singkat menjadi konduktor reguler, dan peningkatan resistensi listrik dapat diukur.

Mendeteksi partikel materi gelap terkecil

Untuk percobaan terbaru mereka, para ilmuwan UZH mengoptimalkan SNSPD mereka untuk deteksi materi gelap. Secara khusus, mereka melengkapi dengan microwires superkonduktor alih-alih kawat nano untuk memaksimalkan penampangnya. Mereka juga memberinya geometri planar tipis yang membuatnya sangat sensitif terhadap perubahan arah.

Para ilmuwan berasumsi bahwa bumi melewati “angin” partikel materi gelap, dan karena itu arah partikel bergeser sepanjang tahun tergantung pada kecepatan relatif. Perangkat yang mampu mengambil perubahan arah dapat membantu menyaring peristiwa non-materi-gelap.

“Perbaikan teknologi lebih lanjut ke SNSPD dapat memungkinkan kami untuk mendeteksi sinyal dari partikel materi gelap dengan massa yang lebih kecil. Kami juga ingin menggunakan sistem di bawah tanah, di mana ia akan terlindung lebih baik dari sumber radiasi lain,” kata Titus Neupert.

Di bawah kisaran massa elektron, model saat ini untuk menggambarkan materi gelap menghadapi kendala astrofisika dan kosmologis yang cukup besar.

Reference: “First Sub-MeV Dark Matter Search with the QROCODILE Experiment Using Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors” by Laura Baudis, Alexander Bismark, Noah Brugger, Chiara Capelli, Ilya Charaev, Jose Cuenca García, Guy Daniel Hadas, Yonit Hochberg, Judith K. Hohmann, Alexander Kavner, Christian Koos, Artem Kuzmin, Benjamin V. Lehmann, Severin Nägeli, Titus Neupert, Bjoern Penning, Diego Ramírez García dan Andreas Schilling, 20 Agustus 2025, Surat Ulasan Fisik.
Doi: 10.1103/4hb6-f6jl

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.