Anders zoeken naar donkere materie – Physics World

Donkere materie maakt ongeveer 85 procent van de totale materie in het universum uit, en kosmologen geloven dat deze een belangrijke rol heeft gespeeld bij de vorming van sterrenstelsels. We kennen de locatie van deze zogenaamde galactische donkere materie dankzij astronomische onderzoeken die in kaart brengen hoe licht van verre sterrenstelsels buigt terwijl het naar ons toe reist. Maar tot nu toe zijn pogingen om donkere materie op te sporen die gevangen zit in het zwaartekrachtveld van de aarde met lege handen gebleven, ook al zou dit soort donkere materie – bekend als gethermaliseerde donkere materie – in grotere hoeveelheden aanwezig zouden moeten zijn.

Het probleem is dat gethermaliseerde donkere materie veel langzamer reist dan galactische donkere materie, wat betekent dat de energie ervan mogelijk te laag is om met conventionele instrumenten te kunnen detecteren. Natuurkundigen van de SLAC Nationaal Laboratorium in de VS hebben nu een alternatief voorgesteld waarbij op een geheel nieuwe manier wordt gezocht naar gethermiseerde donkere materie, met behulp van kwantumsensoren gemaakt van supergeleidende kwantumbits (qubits).

Een geheel nieuwe aanpak

Het idee voor de nieuwe methode kwam van SLAC's Noach Kurinsky, die aan het werk was het opnieuw ontwerpen van transmon-qubits als actieve sensoren voor fotonen en fononen. Transmon-qubits moeten worden afgekoeld tot temperaturen rond het absolute nulpunt (-273 °C) voordat ze stabiel genoeg worden om informatie op te slaan, maar zelfs bij deze extreem lage temperaturen komt energie vaak opnieuw het systeem binnen en verstoort de kwantumtoestanden van de qubits. De ongewenste energie wordt doorgaans toegeschreven aan onvolmaakte koelapparatuur of een of andere warmtebron in de omgeving, maar het viel Kurinsky op dat deze een veel interessantere oorsprong zou kunnen hebben: ‘Wat als we feitelijk een perfect koud systeem hebben, en de reden waarom we dat kunnen doen? het niet effectief afkoelt, omdat het voortdurend wordt gebombardeerd door donkere materie?”

Terwijl Kurinsky over deze nieuwe mogelijkheid nadacht, zei zijn SLAC-collega Rebecca Lean was een nieuw raamwerk aan het ontwikkelen voor het berekenen van de verwachte dichtheid van donkere materie in de aarde. Volgens deze nieuwe berekeningen, waar Leane mee uitvoerde Anirban Das (nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Seoul National University, Korea), zou deze lokale dichtheid van donkere materie aan het aardoppervlak extreem hoog kunnen zijn – veel hoger dan eerder werd gedacht.

“Das en ik hadden besproken welke mogelijke apparaten met een lage drempel deze hoge voorspelde dichtheid van donkere materie zouden kunnen onderzoeken, maar omdat we weinig eerdere ervaring op dit gebied hadden, wendden we ons tot Kurinsky voor essentiële input”, legt Leane uit. “Das voerde vervolgens verstrooiingsberekeningen uit met behulp van nieuwe hulpmiddelen waarmee de verstrooiingssnelheid van donkere materie kon worden berekend met behulp van de fononstructuur (roostervibratie) van een bepaald materiaal.”

Lage energiedrempel

De onderzoekers berekenden dat een kwantumsensor voor donkere materie zou activeren bij extreem lage energieën van slechts een duizendste van een elektronvolt (1 meV). Deze drempel is veel lager dan die van welke vergelijkbare detector voor donkere materie dan ook, en impliceert dat een kwantumsensor voor donkere materie zowel galactische donkere materie met lage energie zou kunnen detecteren als gethermiseerde donkere materiedeeltjes die rond de aarde gevangen zitten.

De onderzoekers erkennen dat er nog veel werk moet gebeuren voordat zo'n detector ooit het levenslicht ziet. Ten eerste zullen ze het beste materiaal moeten identificeren om het te maken. "We keken om te beginnen naar aluminium, en dat is alleen maar omdat dat waarschijnlijk het best gekarakteriseerde materiaal is dat tot nu toe voor detectoren is gebruikt", zegt Leane. "Maar het zou kunnen blijken dat er voor het soort massabereik waar we naar kijken, en het soort detector dat we willen gebruiken, misschien een beter materiaal bestaat."

De onderzoekers willen hun resultaten nu uitbreiden naar een bredere klasse van modellen voor donkere materie. “Aan de experimentele kant test het laboratorium van Kurinsky de eerste ronde van speciaal gebouwde sensoren die tot doel hebben betere modellen te bouwen voor het genereren, recombinatie en detecteren van quasideeltjes en de thermalisatiedynamiek van quasideeltjes in qubits te bestuderen, iets dat nog weinig wordt begrepen”, vertelt Leane. Natuurkunde wereld. "Quasideeltjes in een supergeleider lijken veel minder efficiënt af te koelen dan eerder werd gedacht, maar naarmate deze dynamiek beter wordt gekalibreerd en gemodelleerd, zullen de resultaten minder onzeker worden en kunnen we misschien begrijpen hoe we gevoeligere apparaten kunnen maken.”

De studie is gedetailleerd in Physical Review Letters.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/