Fysikere foreslår en ny måde at søge efter mørkt stof på:Lille-skala-løsning kan være nøglen til at løse storskala mysterium

Lige siden dets opdagelse er mørkt stof forblevet usynligt for videnskabsmænd på trods af lanceringen af ​​adskillige ultrafølsomme partikeldetektoreksperimenter rundt om i verden over flere årtier.

Nu foreslår fysikere ved Department of Energy's (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory en ny måde at lede efter mørkt stof ved hjælp af kvanteudstyr, som kan være naturligt indstillet til at detektere, hvad forskere kalder termaliseret mørkt stof.

De fleste eksperimenter med mørkt stof jager galaktisk mørkt stof, som raketter ind i Jorden direkte fra rummet, men en anden slags kan have hængt rundt om Jorden i årevis, sagde SLAC-fysiker Rebecca Leane, som var forfatter til den nye undersøgelse.

"Mørkt stof går ind i Jorden, hopper meget rundt og bliver til sidst bare fanget af Jordens gravitationsfelt," sagde Leane og bragte det i en ligevægt, som videnskabsmænd omtaler som termaliseret.

Over tid bygger dette termaliserede mørke stof op til en højere tæthed end de få løse galaktiske partikler, hvilket betyder, at det kan være mere sandsynligt at ramme en detektor. Desværre bevæger termaliseret mørkt stof sig meget langsommere end galaktisk mørkt stof, hvilket betyder, at det ville give langt mindre energi end galaktisk mørkt stof – sandsynligvis for lidt til, at traditionelle detektorer kan se.

Med det i tankerne kontaktede Leane og SLAC postdoc Anirban Das Noah Kurinsky, en stabsforsker ved SLAC og leder af et nyt laboratorium med fokus på at detektere mørkt stof med kvantesensorer, som havde tænkt på et puslespil:Selv når superledere er afkølet til det absolutte nul, fjerner al energien fra systemet og skaber en stabil kvantetilstand, på en eller anden måde kommer energi ind igen og forstyrrer kvantetilstanden.

Typisk antager forskere, at det er på grund af ufuldkomne kølesystemer eller en eller anden varmekilde i miljøet, sagde Kurinksy. Men der kan være en anden grund; han sagde, "Hvad nu hvis vi faktisk har et perfekt koldt system, og grunden til at vi ikke kan køle det effektivt ned er, at det konstant bliver bombarderet af mørkt stof?"

Das, Kurinsky og Leane spekulerede på, om superledende kvanteenheder kunne redesignes som termaliserede mørkstofdetektorer. Ifølge deres beregninger er den minimale energi, der er nødvendig for at aktivere en kvantesensor, lav nok - omkring en tusindedel af en elektronvolt - til at den kan detektere lavenergi galaktisk mørkt stof såvel som termaliserede mørkt stofpartikler, der hænger rundt om Jorden.

Det betyder selvfølgelig ikke, at mørkt stof er skyld i forstyrrede kvanteenheder - kun at det er muligt. Det næste skridt, sagde Leane og Kurinsky, er at finde ud af, om og hvordan de kan omdanne følsomme kvanteenheder til detektorer for mørkt stof.

Med det er der et par ting at overveje. Til at begynde med er der måske et bedre materiale at lave enheden af. "Vi kiggede på aluminium til at starte med, og det er bare fordi det nok er det bedst karakteriserede materiale, der er blevet brugt til detektorer indtil videre," sagde Leane. "Men det kunne vise sig, at for den slags masseområde, vi kigger på, og den slags detektor, vi vil bruge, er der måske et bedre materiale."

Der er også en mulighed for, at termaliseret mørkt stof ikke ville interagere med en kvanteenhed på samme måde som galaktisk mørkt stof er mistænkt for at interagere med direkte detektionsudstyr, sagde Leane. "I denne undersøgelse tænkte vi bare på en simpel sag for mørkt stof, der kommer ind og hopper direkte fra detektoren, men det kunne gøre mange andre ting." For eksempel kan andre partikler interagere med mørkt stof, hvilket ændrer den måde, partiklerne i detektoren fordeles på.

"Dette er en af ​​de store ting ved at være hos SLAC," siger Leane. "Vi har virkelig en ret forskelligartet række af grupper, der arbejder med en masse forskellige videnskaber, og jeg føler, at dette projekt er en rigtig god synergi af forskningen på SLAC."

Værket er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Flere oplysninger: Anirban Das et al., Dark Matter Induced Power in Quantum Devices, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.121801

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory