Đi tìm vật chất tối theo cách khác – Thế Giới Vật Lý

Vật chất tối chiếm khoảng 85% tổng vật chất của vũ trụ và các nhà vũ trụ học tin rằng nó đóng vai trò chính trong sự hình thành các thiên hà. Chúng ta biết vị trí của cái gọi là vật chất tối thiên hà này nhờ các cuộc khảo sát thiên văn lập bản đồ ánh sáng từ các thiên hà xa xôi bị bẻ cong như thế nào khi nó truyền về phía chúng ta. Nhưng cho đến nay, những nỗ lực phát hiện vật chất tối bị mắc kẹt trong trường hấp dẫn của Trái đất đều trắng tay, mặc dù loại vật chất tối này – được gọi là vật chất tối nhiệt hóa – phải có mặt với số lượng lớn hơn.

Vấn đề là vật chất tối bị nhiệt hóa di chuyển chậm hơn nhiều so với vật chất tối trong thiên hà, nghĩa là năng lượng của nó có thể quá thấp để các thiết bị thông thường có thể phát hiện được. Các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia SLAC ở Mỹ hiện đã đề xuất một giải pháp thay thế liên quan đến việc tìm kiếm vật chất tối được nhiệt hóa theo một cách hoàn toàn mới, sử dụng các cảm biến lượng tử được chế tạo từ các bit lượng tử siêu dẫn (qubit).

Một cách tiếp cận hoàn toàn mới

Ý tưởng cho phương pháp mới đến từ SLAC Noah Kurinsky, ai đang làm việc trên thiết kế lại qubit transmon làm cảm biến hoạt động cho photon và phonon. Các qubit transmon cần được làm lạnh đến nhiệt độ gần độ không tuyệt đối (- 273 °C) trước khi chúng đủ ổn định để lưu trữ thông tin, nhưng ngay cả ở những nhiệt độ cực thấp này, năng lượng thường quay trở lại hệ thống và phá vỡ trạng thái lượng tử của qubit. Năng lượng không mong muốn thường được cho là do bộ máy làm mát không hoàn hảo hoặc một nguồn nhiệt nào đó trong môi trường, nhưng Kurinsky chợt nhận ra rằng nó có thể có nguồn gốc thú vị hơn nhiều: “Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta thực sự có một hệ thống lạnh hoàn toàn và lý do chúng ta có thể làm được điều đó? Làm mát nó không hiệu quả là do nó liên tục bị vật chất tối bắn phá?”

Trong khi Kurinsky đang cân nhắc khả năng mới lạ này, đồng nghiệp SLAC của ông Rebecca Leane đang phát triển một khuôn khổ mới để tính toán mật độ dự kiến ​​của vật chất tối bên trong Trái đất. Theo những tính toán mới này, Leane đã thực hiện với Anirban Das (hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Quốc gia Seoul, Hàn Quốc), mật độ vật chất tối cục bộ này có thể cực kỳ cao trên bề mặt Trái đất – cao hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.

Leane giải thích: “Das và tôi đã thảo luận về những thiết bị ngưỡng thấp nào có thể thăm dò mật độ vật chất tối được dự đoán cao này, nhưng với rất ít kinh nghiệm trước đây trong lĩnh vực này, chúng tôi đã tìm đến Kurinsky để có được đầu vào quan trọng”. “Sau đó, Das thực hiện các phép tính tán xạ bằng các công cụ mới cho phép tính toán tốc độ tán xạ vật chất tối bằng cách sử dụng cấu trúc phonon (rung động mạng) của một vật liệu nhất định.”

Ngưỡng năng lượng thấp

Các nhà nghiên cứu tính toán rằng cảm biến vật chất tối lượng tử sẽ kích hoạt ở mức năng lượng cực thấp chỉ một phần nghìn electronvolt (1 meV). Ngưỡng này thấp hơn nhiều so với bất kỳ máy dò vật chất tối nào có thể so sánh được và nó ngụ ý rằng cảm biến vật chất tối lượng tử có thể phát hiện vật chất tối thiên hà năng lượng thấp cũng như các hạt vật chất tối nhiệt hóa bị mắc kẹt quanh Trái đất.

Các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi một máy dò như vậy có thể nhìn thấy ánh sáng ban ngày. Đầu tiên, họ sẽ phải xác định vật liệu tốt nhất để làm ra nó. Leane nói: “Chúng tôi bắt đầu xem xét nhôm và đó chỉ là vì đó có lẽ là vật liệu có đặc tính tốt nhất được sử dụng cho máy dò cho đến nay”. “Nhưng có thể hóa ra là đối với loại phạm vi khối lượng mà chúng tôi đang xem xét và loại máy dò mà chúng tôi muốn sử dụng, có thể sẽ có loại vật liệu tốt hơn.”

Các nhà nghiên cứu hiện đặt mục tiêu mở rộng kết quả của họ sang một lớp mô hình vật chất tối rộng hơn. “Về mặt thử nghiệm, phòng thí nghiệm của Kurinsky đang thử nghiệm vòng cảm biến chuyên dụng đầu tiên nhằm xây dựng các mô hình tốt hơn về việc tạo, tái kết hợp và phát hiện quasiparticle, đồng thời nghiên cứu động lực nhiệt hóa của các quasiparticles trong qubit, một điều mà ít người hiểu rõ,” Leane nói. Thế giới vật lý. 'Các giả hạt trong chất siêu dẫn dường như nguội đi kém hiệu quả hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây, nhưng khi những động lực này được hiệu chỉnh và mô hình hóa tốt hơn, kết quả sẽ trở nên ít không chắc chắn hơn và chúng ta có thể hiểu cách tạo ra các thiết bị nhạy hơn.”

Nghiên cứu được trình bày chi tiết trong Physical Review Letters.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/