Leter du etter mørk materie annerledes – Physics World

Mørk materie utgjør omtrent 85 prosent av universets totale materie, og kosmologer mener den spilte en stor rolle i dannelsen av galakser. Vi vet plasseringen av denne såkalte galaktiske mørke materien takket være astronomiske undersøkelser som kartlegger hvordan lys fra fjerne galakser bøyer seg når det beveger seg mot oss. Men så langt har forsøk på å oppdage mørk materie fanget i jordens gravitasjonsfelt kommet opp tomhendt, selv om denne typen mørk materie – kjent som termalisert mørk materie – burde være tilstede i større mengder.

Problemet er at termalisert mørk materie beveger seg mye langsommere enn galaktisk mørk materie, noe som betyr at energien kan være for lav til at konvensjonelle instrumenter kan oppdage. Fysikere ved SLAC National Laboratory i USA har nå foreslått et alternativ som innebærer å søke etter termalisert mørk materie på en helt ny måte, ved å bruke kvantesensorer laget av superledende kvantebiter (qubits).

En helt ny tilnærming

Ideen til den nye metoden kom fra SLAC's Noah Kurinsky, som jobbet med re-designe transmon qubits som aktive sensorer for fotoner og fononer. Transmon qubits må avkjøles til temperaturer nær absolutt null (-273 °C) før de blir stabile nok til å lagre informasjon, men selv ved disse ekstremt lave temperaturene kommer energi ofte inn i systemet igjen og forstyrrer qubitenes kvantetilstander. Den uønskede energien er vanligvis skylden på ufullkommen kjøleapparat eller en eller annen varmekilde i miljøet, men det gikk opp for Kurinsky at den kunne ha en mye mer interessant opprinnelse: "Hva om vi faktisk har et perfekt kaldt system, og grunnen til at vi kan at den ikke kjøles ned effektivt fordi den hele tiden blir bombardert av mørk materie?

Mens Kurinsky grublet på denne nye muligheten, hans SLAC-kollega Rebecca Leane utviklet et nytt rammeverk for å beregne forventet tetthet av mørk materie inne i jorden. I følge disse nye beregningene, som Leane presterte med Anirban Das (nå postdoktor ved Seoul National University, Korea), kan denne lokale tettheten av mørk materie være ekstremt høy på jordens overflate - mye høyere enn tidligere antatt.

"Das og jeg hadde diskutert hvilke mulige lavterskelenheter som kunne undersøke denne høye forutsagte mørk materietettheten, men med lite tidligere erfaring på dette området, henvendte vi oss til Kurinsky for viktige innspill," forklarer Leane. "Das utførte deretter spredningsberegninger ved å bruke nye verktøy som gjør det mulig å beregne spredningshastigheten for mørk materie ved å bruke fononstrukturen (gittervibrasjonen) til et gitt materiale."

Lav energiterskel

Forskerne regnet ut at en kvantemørkmateriesensor ville aktiveres ved ekstremt lave energier på bare en tusendel av en elektronvolt (1 meV). Denne terskelen er mye lavere enn for en hvilken som helst sammenlignbar mørk materiedetektor, og den antyder at en kvantemørkmateriesensor kan oppdage lavenergi galaktisk mørk materie så vel som termaliserte mørk materiepartikler fanget rundt jorden.

Forskerne erkjenner at det gjenstår mye arbeid før en slik detektor noen gang ser dagens lys. For det første må de identifisere det beste materialet for å lage det. "Vi så på aluminium til å begynne med, og det er bare fordi det sannsynligvis er det best karakteriserte materialet som har blitt brukt til detektorer så langt," sier Leane. "Men det kan vise seg at for den typen masseområde vi ser på, og den typen detektor vi vil bruke, kanskje det er et bedre materiale."

Forskerne tar nå sikte på å utvide resultatene til en bredere klasse av mørk materiemodeller. "På den eksperimentelle siden tester Kurinskys laboratorium den første runden med spesialbygde sensorer som tar sikte på å bygge bedre modeller for kvasipartikkelgenerering, rekombinasjon og deteksjon og studere termaliseringsdynamikken til kvasipartikler i qubits, noe som er lite forstått," forteller Leane Fysikkens verden. 'Kvasipartikler i en superleder ser ut til å avkjøles mye mindre effektivt enn tidligere antatt, men ettersom denne dynamikken kalibreres og modelleres bedre, vil resultatene bli mindre usikre, og vi kan kanskje forstå hvordan vi lager mer sensitive enheter.»

Studien er detaljert i Physical Review Letters.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/