Anders nach Dunkler Materie suchen – Physics World

Dunkle Materie macht etwa 85 Prozent der gesamten Materie des Universums aus und Kosmologen gehen davon aus, dass sie eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Galaxien gespielt hat. Den Standort dieser sogenannten galaktischen Dunklen Materie kennen wir dank astronomischer Untersuchungen, die kartieren, wie sich das Licht entfernter Galaxien auf seinem Weg zu uns beugt. Doch bisher scheiterten alle Versuche, im Gravitationsfeld der Erde eingeschlossene Dunkle Materie aufzuspüren, obwohl diese Art von Dunkler Materie – die sogenannte „thermalisierte Dunkle Materie“ – in größeren Mengen vorhanden sein sollte.

Das Problem besteht darin, dass sich thermische Dunkle Materie viel langsamer fortbewegt als galaktische Dunkle Materie, was bedeutet, dass ihre Energie möglicherweise zu niedrig ist, als dass herkömmliche Instrumente sie erfassen könnten. Physiker am SLAC National Laboratory in den USA haben nun eine Alternative vorgeschlagen, bei der auf völlig neue Weise nach thermisierter Dunkler Materie gesucht wird, und zwar mithilfe von Quantensensoren aus supraleitenden Quantenbits (Qubits).

Ein völlig neuer Ansatz

Die Idee für die neue Methode kam von SLAC Noah Kurinsky, der daran arbeitete Neugestaltung von Transmon-Qubits als aktive Sensoren für Photonen und Phononen. Transmon-Qubits müssen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) abgekühlt werden, bevor sie stabil genug werden, um Informationen zu speichern, aber selbst bei diesen extrem niedrigen Temperaturen gelangt Energie oft wieder in das System und stört die Quantenzustände der Qubits. Normalerweise wird die unerwünschte Energie einem fehlerhaften Kühlgerät oder einer Wärmequelle in der Umgebung zugeschrieben, aber Kurinsky kam der Gedanke, dass sie einen viel interessanteren Ursprung haben könnte: „Was wäre, wenn wir tatsächlich ein vollkommen kaltes System hätten, und den Grund dafür? „Dass es nicht effektiv abgekühlt werden kann, liegt daran, dass es ständig von dunkler Materie bombardiert wird?“

Während Kurinsky über diese neuartige Möglichkeit nachdachte, war sein SLAC-Kollege Rebecca Leane entwickelte einen neuen Rahmen zur Berechnung der erwarteten Dichte der Dunklen Materie im Erdinneren. Nach diesen neuen Berechnungen, die Leane durchgeführt hat Anirban Das (jetzt Postdoktorand an der Seoul National University, Korea) könnte diese lokale Dichte dunkler Materie an der Erdoberfläche extrem hoch sein – viel höher als bisher angenommen.

„Das und ich hatten darüber diskutiert, welche möglichen niederschwelligen Geräte diese hohe vorhergesagte Dichte dunkler Materie untersuchen könnten, aber da wir auf diesem Gebiet kaum Erfahrung hatten, wandten wir uns an Kurinsky, um wichtige Anregungen zu erhalten“, erklärt Leane. „Das führte dann Streuberechnungen mit neuen Werkzeugen durch, die es ermöglichen, die Streurate der Dunklen Materie anhand der Phononenstruktur (Gitterschwingung) eines bestimmten Materials zu berechnen.“

Niedrige Energieschwelle

Die Forscher berechneten, dass ein Quantensensor für dunkle Materie bei extrem niedrigen Energien von nur einem Tausendstel Elektronenvolt (1 MeV) aktiviert würde. Dieser Schwellenwert ist viel niedriger als der jedes vergleichbaren Detektors für dunkle Materie und impliziert, dass ein Quantensensor für dunkle Materie niederenergetische galaktische Dunkle Materie sowie thermisierte Dunkle-Materie-Partikel erkennen könnte, die um die Erde herum gefangen sind.

Die Forscher räumen ein, dass noch viel Arbeit vor uns liegt, bevor ein solcher Detektor jemals das Licht der Welt erblickt. Zum einen müssen sie das beste Material für die Herstellung ermitteln. „Wir haben uns zunächst mit Aluminium beschäftigt, und zwar nur deshalb, weil es wahrscheinlich das am besten charakterisierte Material ist, das bisher für Detektoren verwendet wurde“, sagt Leane. „Aber es könnte sich herausstellen, dass es für den Massenbereich, den wir betrachten, und die Art von Detektor, den wir verwenden möchten, vielleicht ein besseres Material gibt.“

Die Forscher wollen ihre Ergebnisse nun auf eine breitere Klasse von Modellen der Dunklen Materie ausweiten. „Auf der experimentellen Seite testet Kurinskys Labor die erste Runde speziell entwickelter Sensoren, die darauf abzielen, bessere Modelle der Erzeugung, Rekombination und Detektion von Quasiteilchen zu erstellen und die Thermalisierungsdynamik von Quasiteilchen in Qubits zu untersuchen, etwas, das kaum verstanden wird“, erzählt Leane Physik-Welt. "Quasiteilchen in einem Supraleiter scheinen viel weniger effizient abzukühlen als bisher angenommen, aber wenn diese Dynamik besser kalibriert und modelliert wird, werden die Ergebnisse weniger unsicher und wir verstehen möglicherweise, wie wir empfindlichere Geräte herstellen können.“

Die Studie ist ausführlich in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/