Αναζητώντας τη σκοτεινή ύλη διαφορετικά - Physics World

Η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 85 τοις εκατό της συνολικής ύλης του σύμπαντος και οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι έπαιξε σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των γαλαξιών. Γνωρίζουμε τη θέση αυτής της λεγόμενης γαλαξιακής σκοτεινής ύλης χάρη σε αστρονομικές έρευνες που χαρτογραφούν πώς κάμπτεται το φως από μακρινούς γαλαξίες καθώς ταξιδεύει προς εμάς. Αλλά μέχρι στιγμής, οι προσπάθειες για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης παγιδευμένης μέσα στο βαρυτικό πεδίο της Γης έχουν καταλήξει με άδεια χέρια, παρόλο που αυτός ο τύπος σκοτεινής ύλης - γνωστός ως θερμική σκοτεινή ύλη - θα πρέπει να υπάρχει σε μεγαλύτερες ποσότητες.

Το πρόβλημα είναι ότι η θερμική σκοτεινή ύλη ταξιδεύει πολύ πιο αργά από τη γαλαξιακή σκοτεινή ύλη, πράγμα που σημαίνει ότι η ενέργειά της μπορεί να είναι πολύ χαμηλή για να την ανιχνεύσουν τα συμβατικά όργανα. Οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο SLAC στις ΗΠΑ έχουν τώρα προτείνει μια εναλλακτική που περιλαμβάνει την αναζήτηση για θερμική σκοτεινή ύλη με έναν εντελώς νέο τρόπο, χρησιμοποιώντας κβαντικούς αισθητήρες κατασκευασμένους από υπεραγώγιμα κβαντικά bit (qubits).

Μια εντελώς νέα προσέγγιση

Η ιδέα για τη νέα μέθοδο προήλθε από την SLAC's Νόα Κουρίνσκι, που δούλευε επανασχεδιασμός qubit transmon ως ενεργών αισθητήρων για φωτόνια και φωνόνια. Τα qubit transmon πρέπει να ψυχθούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (- 273 °C) πριν γίνουν αρκετά σταθερά για να αποθηκεύσουν πληροφορίες, αλλά ακόμα και σε αυτές τις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, η ενέργεια συχνά επανεισέρχεται στο σύστημα και διαταράσσει τις κβαντικές καταστάσεις των qubits. Η ανεπιθύμητη ενέργεια συνήθως ενοχοποιείται σε ατελείς συσκευές ψύξης ή κάποια πηγή θερμότητας στο περιβάλλον, αλλά ο Kurinsky σκέφτηκε ότι θα μπορούσε να έχει μια πολύ πιο ενδιαφέρουσα προέλευση: «Τι θα συμβεί αν έχουμε πραγματικά ένα τελείως ψυχρό σύστημα και ο λόγος που μπορούμε «Το ψύχει αποτελεσματικά είναι επειδή βομβαρδίζεται συνεχώς από τη σκοτεινή ύλη;»

Ενώ ο Kurinsky σκεφτόταν αυτή τη νέα πιθανότητα, ο συνάδελφός του SLAC Ρεμπέκα Λιν ανέπτυξε ένα νέο πλαίσιο για τον υπολογισμό της αναμενόμενης πυκνότητας της σκοτεινής ύλης μέσα στη Γη. Σύμφωνα με αυτούς τους νέους υπολογισμούς, με τους οποίους εκτέλεσε ο Leane Ανίρμπαν Ντας (τώρα μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ, Κορέα), αυτή η τοπική πυκνότητα σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά υψηλή στην επιφάνεια της Γης – πολύ υψηλότερη από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

«Ο Das και εγώ συζητούσαμε ποιες πιθανές συσκευές χαμηλού ορίου θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν αυτήν την υψηλή προβλεπόμενη πυκνότητα σκοτεινής ύλης, αλλά με λίγη προηγούμενη εμπειρία σε αυτόν τον τομέα, απευθυνθήκαμε στον Kurinsky για ζωτικής σημασίας στοιχεία», εξηγεί ο Leane. «Ο Das εκτέλεσε στη συνέχεια υπολογισμούς σκέδασης χρησιμοποιώντας νέα εργαλεία που επιτρέπουν τον υπολογισμό του ρυθμού σκέδασης της σκοτεινής ύλης χρησιμοποιώντας τη δομή φωνονίων (δόνηση πλέγματος) ενός δεδομένου υλικού».

Χαμηλό ενεργειακό κατώφλι

Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι ένας κβαντικός αισθητήρας σκοτεινής ύλης θα ενεργοποιηθεί σε εξαιρετικά χαμηλές ενέργειες μόλις το ένα χιλιοστό του ηλεκτρονβολτ (1 meV). Αυτό το όριο είναι πολύ χαμηλότερο από αυτό οποιουδήποτε συγκρίσιμου ανιχνευτή σκοτεινής ύλης και υπονοεί ότι ένας κβαντικός αισθητήρας σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να ανιχνεύσει χαμηλής ενέργειας γαλαξιακή σκοτεινή ύλη καθώς και θερμικά σωματίδια σκοτεινής ύλης παγιδευμένα γύρω από τη Γη.

Οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι απομένει πολλή δουλειά προτού δει ποτέ το φως της δημοσιότητας ένας τέτοιος ανιχνευτής. Πρώτον, θα πρέπει να εντοπίσουν το καλύτερο υλικό για την κατασκευή του. «Ψάχναμε για αρχή το αλουμίνιο, και αυτό συμβαίνει ακριβώς επειδή αυτό είναι ίσως το καλύτερο χαρακτηρισμένο υλικό που έχει χρησιμοποιηθεί για ανιχνευτές μέχρι στιγμής», λέει ο Leane. «Αλλά θα μπορούσε να αποδειχθεί ότι για το είδος του εύρους μάζας που εξετάζουμε και το είδος του ανιχνευτή που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε, ίσως υπάρχει καλύτερο υλικό».

Οι ερευνητές στοχεύουν τώρα να επεκτείνουν τα αποτελέσματά τους σε μια ευρύτερη κατηγορία μοντέλων σκοτεινής ύλης. «Στην πειραματική πλευρά, το εργαστήριο του Kurinsky δοκιμάζει τον πρώτο γύρο αισθητήρων που έχουν σχεδιαστεί για το σκοπό αυτό που στοχεύουν στη δημιουργία καλύτερων μοντέλων παραγωγής οιονείσωματιδίων, ανασυνδυασμού και ανίχνευσης και μελέτης της δυναμικής θερμικοποίησης των οιονεί σωματιδίων σε qubits, κάτι που είναι ελάχιστα κατανοητό», λέει ο Leane. Κόσμος Φυσικής. »Τα οιονεί σωματίδια σε έναν υπεραγωγό φαίνεται να ψύχονται πολύ λιγότερο αποτελεσματικά από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, αλλά καθώς αυτές οι δυναμικές βαθμονομούνται και διαμορφώνονται καλύτερα, τα αποτελέσματα θα γίνουν λιγότερο αβέβαια και ίσως καταλάβουμε πώς να φτιάξουμε πιο ευαίσθητες συσκευές.»

Η μελέτη αναλύεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/