Letar du efter mörk materia på ett annat sätt – Physics World

Mörk materia utgör cirka 85 procent av universums totala materia, och kosmologer tror att den spelade en stor roll i bildandet av galaxer. Vi känner till platsen för denna så kallade galaktiska mörka materia tack vare astronomiska undersökningar som kartlägger hur ljus från avlägsna galaxer böjer sig när det färdas mot oss. Men hittills har försöken att upptäcka mörk materia fångad inom jordens gravitationsfält kommit upp tomhänt, även om denna typ av mörk materia – känd som termaliserad mörk materia – borde finnas närvarande i större mängder.

Problemet är att termaliserad mörk materia färdas mycket långsammare än galaktisk mörk materia, vilket betyder att dess energi kan vara för låg för konventionella instrument att upptäcka. Fysiker vid SLAC National Laboratory i USA har nu föreslagit ett alternativ som går ut på att söka efter termaliserad mörk materia på ett helt nytt sätt, med hjälp av kvantsensorer gjorda av supraledande kvantbitar (qubits).

Ett helt nytt tillvägagångssätt

Idén till den nya metoden kom från SLAC's Noah Kurinsky, som arbetade på omdesign av transmon qubits som aktiva sensorer för fotoner och fononer. Transmon qubits behöver kylas till temperaturer nära absolut noll (-273 °C) innan de blir tillräckligt stabila för att lagra information, men även vid dessa extremt låga temperaturer kommer energi ofta in i systemet igen och stör qubitarnas kvanttillstånd. Den oönskade energin skylls vanligtvis på ofullkomlig kylapparat eller någon värmekälla i miljön, men det slog Kurinsky in att den kunde ha ett mycket mer intressant ursprung: "Tänk om vi faktiskt har ett perfekt kallt system, och anledningen till att vi kan att den inte kyls ner effektivt beror på att den ständigt bombarderas av mörk materia?

Medan Kurinsky funderade över denna nya möjlighet, hans SLAC-kollega Rebecca Leane utvecklade ett nytt ramverk för att beräkna den förväntade tätheten av mörk materia inuti jorden. Enligt dessa nya beräkningar, som Leane presterade med Anirban Das (nu postdoktor vid Seoul National University, Korea), kan denna lokala täthet av mörk materia vara extremt hög på jordens yta – mycket högre än man tidigare trott.

"Das och jag hade diskuterat vilka möjliga lågtröskelenheter som skulle kunna undersöka denna höga förutspådda täthet av mörk materia, men med liten tidigare erfarenhet på detta område vände vi oss till Kurinsky för viktig input," förklarar Leane. "Das utförde sedan spridningsberäkningar med hjälp av nya verktyg som gör att spridningshastigheten för mörk materia kan beräknas med hjälp av fononstrukturen (gittervibrationen) för ett givet material."

Låg energitröskel

Forskarna beräknade att en kvant-mörkmateriasensor skulle aktiveras vid extremt låga energier på bara en tusendels elektronvolt (1 meV). Detta tröskelvärde är mycket lägre än det för någon jämförbar mörk materiadetektor, och det antyder att en kvantmörkermateriasensor kan upptäcka lågenergi galaktisk mörk materia såväl som termaliserade mörk materiepartiklar som fångas runt jorden.

Forskarna erkänner att mycket arbete återstår innan en sådan detektor någonsin ser dagens ljus. För det första måste de identifiera det bästa materialet för att göra det. "Vi tittade på aluminium till att börja med, och det är bara för att det förmodligen är det bäst karakteriserade materialet som har använts för detektorer hittills," säger Leane. "Men det kan visa sig att för den typ av massintervall vi tittar på, och den typ av detektor vi vill använda, kanske det finns ett bättre material."

Forskarna siktar nu på att utöka sina resultat till en bredare klass av mörk materiamodeller. "På den experimentella sidan testar Kurinskys labb den första omgången av specialbyggda sensorer som syftar till att bygga bättre modeller för kvasipartikelgenerering, rekombination och detektering och studera termaliseringsdynamiken hos kvasipartiklar i qubits, något som är lite förstådd," berättar Leane. Fysikvärlden. "Kvasipartiklar i en supraledare verkar kyla mycket mindre effektivt än man tidigare trott, men eftersom denna dynamik kalibreras och modelleras bättre kommer resultaten att bli mindre osäkra och vi kanske förstår hur man gör känsligare enheter."

Studien är detaljerad i Fysiska granskningsbrev.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/