Leder du anderledes efter mørkt stof – Physics World

Leder du anderledes efter mørkt stof – Physics World

Tidsstempel: 22. april 2024 kl. 4


leder efter hyppige interaktioner mellem kerner i en detektor og lavenergi mørkt stof
Den foreslåede nye metode til påvisning af mørkt stof vil lede efter hyppige interaktioner mellem kerner i en detektor og mørkt stof med lavt energiforbrug, der kan være til stede i og omkring Jorden. (Til højre) Et konventionelt direkte detektionseksperiment leder efter lejlighedsvise rekyler fra spredning af mørkt stof. Høflighed: Anirban Das, Noah Kurinsky og Rebecca Leane

Mørkt stof udgør omkring 85 procent af universets samlede stof, og kosmologer mener, at det spillede en stor rolle i dannelsen af ​​galakser. Vi kender placeringen af ​​dette såkaldte galaktiske mørke stof takket være astronomiske undersøgelser, der kortlægger, hvordan lys fra fjerne galakser bøjer sig, når det rejser mod os. Men indtil videre er bestræbelserne på at opdage mørkt stof fanget i Jordens gravitationsfelt kommet op tomhændet, selvom denne type mørkt stof – kendt som termaliseret mørkt stof – burde være til stede i større mængder.

Problemet er, at termaliseret mørkt stof rejser meget langsommere end galaktisk mørkt stof, hvilket betyder, at dets energi kan være for lav til, at konventionelle instrumenter kan opdage. Fysikere ved SLAC National Laboratory i USA har nu foreslået et alternativ, der involverer at søge efter termaliseret mørkt stof på en helt ny måde ved at bruge kvantesensorer lavet af superledende kvantebits (qubits).

En helt ny tilgang

Idéen til den nye metode kom fra SLAC's Noah Kurinsky, som arbejdede på re-designe transmon qubits som aktive sensorer for fotoner og fononer. Transmon qubits skal afkøles til temperaturer nær det absolutte nulpunkt (- 273 °C), før de bliver stabile nok til at lagre information, men selv ved disse ekstremt lave temperaturer kommer energi ofte ind i systemet igen og forstyrrer qubits' kvantetilstande. Den uønskede energi er typisk skyld i ufuldkomment køleapparat eller en eller anden varmekilde i miljøet, men det gik op for Kurinsky, at det kunne have en meget mere interessant oprindelse: "Hvad nu hvis vi faktisk har et perfekt koldt system, og grunden til at vi kan 'Køler det ikke effektivt ned, fordi det konstant bliver bombarderet af mørkt stof?

Mens Kurinsky overvejede denne nye mulighed, hans SLAC-kollega Rebecca Leane var ved at udvikle en ny ramme til at beregne den forventede tæthed af mørkt stof inde i Jorden. Ifølge disse nye beregninger, som Leane præsterede med Anirban Das (nu postdoc-forsker ved Seoul National University, Korea), kan denne lokale tæthed af mørkt stof være ekstremt høj på jordens overflade - meget højere end tidligere antaget.

"Das og jeg havde diskuteret, hvilke mulige lavtærskelenheder, der kunne undersøge denne høje forudsagte tæthed af mørkt stof, men med ringe tidligere erfaring på dette område henvendte vi os til Kurinsky for at få vigtige input," forklarer Leane. "Das udførte derefter spredningsberegninger ved hjælp af nye værktøjer, der gør det muligt at beregne spredningshastigheden for mørkt stof ved hjælp af fononstrukturen (gittervibration) af et givet materiale."

Lav energitærskel

Forskerne beregnede, at en kvante-mørkt stof-sensor ville aktiveres ved ekstremt lave energier på kun en tusindedel af en elektronvolt (1 meV). Denne tærskel er meget lavere end den for nogen sammenlignelig mørk stofdetektor, og den antyder, at en kvantemørkt stofsensor kunne detektere lavenergi galaktisk mørkt stof såvel som termaliserede mørkt stofpartikler fanget rundt om Jorden.

Forskerne erkender, at der er meget arbejde tilbage, før sådan en detektor nogensinde ser dagens lys. For det første bliver de nødt til at identificere det bedste materiale til at lave det. "Vi kiggede på aluminium til at starte med, og det er bare, fordi det nok er det bedst karakteriserede materiale, der hidtil er blevet brugt til detektorer," siger Leane. "Men det kunne vise sig, at for den slags masseområde, vi kigger på, og den slags detektor, vi vil bruge, er der måske et bedre materiale."

Forskerne sigter nu mod at udvide deres resultater til en bredere klasse af mørkt stof-modeller. "På den eksperimentelle side tester Kurinskys laboratorium den første runde af specialbyggede sensorer, der har til formål at bygge bedre modeller for kvasipartikelgenerering, rekombination og detektion og studere termaliseringsdynamikken af ​​kvasipartikler i qubits, noget der er lidt forstået," fortæller Leane. Fysik verden. "Kvasipartikler i en superleder ser ud til at køle meget mindre effektivt end tidligere antaget, men efterhånden som denne dynamik bliver kalibreret og modelleret bedre, vil resultaterne blive mindre usikre, og vi kan måske forstå, hvordan man laver mere følsomme enheder."

Undersøgelsen er detaljeret i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden