Att ta reda på hur man utökar sökandet efter mörk materia partiklar – mörk materia beskriver de saker som uppskattningsvis utgör 85 procent av universums totala massa men hittills bara har mätts genom dess gravitationseffekter – är lite som att bygga en bättre musfälla ... det vill säga en musfälla för en mus du aldrig sett, kommer aldrig se direkt, kan få sällskap av ett udda sortiment av andra möss, eller kanske inte är en mus trots allt.

Nu, genom ett nytt forskningsprogram som stöds av U.S. Department of Energy's Office of High Energy Physics (HEP), ett konsortium av forskare från DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Berkeley, och University of Massachusetts Amherst kommer att utveckla sensorer som får kvantfysikens till synes konstiga egenskaper att undersöka partiklar av mörk materia på nya sätt, med ökad känslighet, och i okända regioner. Maurice Garcia-Sciveres, en fysiker från Berkeley Lab, leder detta Quantum Sensors HEP-Quantum Information Science (QIS) -konsortium.

Kvantteknologier dyker upp som lovande alternativ till de mer konventionella "musfällor" som forskare tidigare har använt för att spåra svårfångade partiklar. Och DOE, genom samma HEP -kontor, stöder också en samling andra forskningsinsatser som leds av forskare från Berkeley Lab som utnyttjar kvantteori, egenskaper, och teknik inom QIS -området.

Dessa ansträngningar inkluderar:

• Att reda ut kvantstrukturen för kvantkromodynamiken i Parton Shower Monte Carlo-generatorer – Denna ansträngning kommer att utveckla datorprogram som testar interaktionen mellan fundamentala partiklar i extrem detalj. Nuvarande datasimuleringar är begränsade av klassiska algoritmer, även om kvantalgoritmer skulle kunna modellera dessa interaktioner mer exakt och kunna ge ett bättre sätt att jämföra med och förstå partikelhändelser uppmätta vid CERNs Large Hadron Collider, världens mest kraftfulla partikelkolliderare. Berkeley Labs Christian Bauer, en senior forskare, kommer att leda denna insats.
• Quantum Pattern Recognition (QPR) för högenergifysik-Allt starkare partikelacceleratorer kräver mycket snabbare datoralgoritmer för att övervaka och sortera mellan miljarder partikelhändelser per sekund, och denna ansträngning kommer att utveckla och studera potentialen hos kvantbaserade algoritmer för mönsterigenkänning för att rekonstruera laddade partiklar. Sådana algoritmer har potential för betydande hastighetsförbättringar och ökad precision. Under ledning av Berkeley Lab -fysikern och divisionsmedlemmen Heather Gray, denna ansträngning kommer att innebära hög energi-fysik och högpresterande datorkunskap inom Berkeley Labs fysikavdelning och vid Labs National Energy Research Scientific Computing Center, en DOE Office of Science User Facility, och även vid UC Berkeley.
• Skipper-CCD, en ny enfotosensor för kvantavbildning – de senaste sex åren, Berkeley Lab och Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) har samarbetat i utvecklingen av en detektor för astrofysiska experiment som kan upptäcka den minsta enskilda ljusenheten, känd som en foton. Denna Skipper-CCD-detektor demonstrerades framgångsrikt sommaren 2017 med ett otroligt lågt brus som gjorde det möjligt att detektera även enskilda elektroner. Som nästa steg, denna Fermilab-ledda ansträngning kommer att försöka att avbilda par av fotoner som finns i ett tillstånd av kvantinvikling, vilket betyder att deras egenskaper är i sig besläktade - även över långa avstånd - så att mätningen av en av partiklarna nödvändigtvis definierar egenskaperna hos den andra. Steve Holland, en senior forskare och ingenjör vid Berkeley Lab som är en pionjär inom utvecklingen av högpresterande kiseldetektorer för en rad olika användningsområden, leder Berkeley Labs deltagande i detta projekt.
• Geometri och flöde av kvantinformation:Från kvantgravitet till kvantteknik - Denna insats kommer att utveckla kvantalgoritmer och simuleringar för egenskaper, inklusive felkorrigering och informationskryptering, som är relevanta för svarta hålsteorier och för kvantberäkning som involverar mycket sammankopplade uppsättningar av supraledande qubits - grundenheterna i en kvantdator. Forskare kommer också att jämföra dessa med mer klassiska metoder. UC Berkeley leder detta forskningsprogram, och Irfan Siddiqi, en forskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och grundande chef för Center for Quantum Coherent Science vid UC Berkeley, leder Berkeley Labs engagemang.
• Siddiqi leder också ett separat forskningsprogram, Fältprogrammerbar Gate Array-baserad kvantkontroll för högenergifysiksimuleringar med Qutrits, som kommer att utveckla specialiserade verktyg och logikfamiljer för högenergi-fysikfokuserad kvantberäkning. Detta arbete omfattar Berkeley Labs division Accelerator Technology and Applied Physics.

Dessa projekt är också en del av Berkeley Quantum, ett partnerskap som utnyttjar expertisen och faciliteterna hos Berkeley Lab och UC Berkeley för att främja amerikansk kvantkapacitet genom att utföra grundforskning, tillverka och testa kvantbaserade enheter och teknologier, och utbilda nästa generation av forskare.

Också, över flera av dess kontor, DOE har meddelat stöd för en våg av andra FoU -insatser som kommer att främja samarbetsinnovation inom kvantinformationsvetenskap vid Berkeley Lab, på andra nationella laboratorier, och på partnerinstitutioner.

På Berkeley Lab, det största HEP-finansierade QIS-relaterade företaget kommer att inkludera ett tvärvetenskapligt team i utveckling och demonstration av kvantsensorer för att leta efter mycket lågmassa partiklar av mörk materia-så kallade "ljus mörk materia"-genom att instrumentera två olika detektorer.

En av dessa detektorer kommer att använda flytande helium vid en mycket låg temperatur där annars bekanta fenomen som värme och värmeledningsförmåga visar kvantbeteende. Den andra detektorn kommer att använda specialtillverkade kristaller av galliumarsenid (se en relaterad artikel), även kylda till kryogena temperaturer. Idéerna för hur dessa experiment kan söka efter mycket ljus mörk materia kom från teoriarbetet på Berkeley Lab.

"Det finns mycket outforskat territorium i lågmassa mörk materia, "sa Natalie Roe, chef för Physics Division på Berkeley Lab och huvudutredaren för Labs HEP-relaterade kvantinsatser. "Vi har alla delar för att få ihop det här:i teorin, experiment, och detektorer."

Garcia-Sciveres, vem leder ansträngningen för att tillämpa kvantsensorer på lågmassans sökning i mörk materia, noterade att andra stora insatser-som Berkeley Lab-ledda LUX-ZEPLIN (LZ) -försöket som tar form i South Dakota-kommer att hjälpa till att utrota om partiklar av mörk materia som kallas WIMP (svagt interagerande massiva partiklar) existerar med massor som är jämförbara med det av atomer. Men LZ och liknande experiment är inte utformade för att upptäcka partiklar av mörk materia med mycket lägre massor.

"De traditionella WIMP -experimenten med mörk materia har inte hittat något ännu, ", sa han. "Och det finns mycket teoretiskt arbete på modeller som gynnar partiklar med en lägre massa än experiment som LZ kan mäta, "tillade han." Detta har motiverat människor att verkligen titta hårt på hur du kan upptäcka partiklar med mycket låg massa. Det är inte så lätt. Det är en mycket liten signal som måste detekteras utan bakgrundsbrus. "

Forskare hoppas kunna utveckla kvantsensorer som är bättre på att filtrera bort bruset från oönskade signaler. Medan ett traditionellt WIMP -experiment är utformat för att känna av rekylen av en hel atomkärna efter att den "sparkats" av en partikel av mörk materia, mycket låg massa mörk materia partiklar kommer att studsa direkt från kärnor utan att påverka dem, som en loppa som studsar av en elefant.

Målet med den nya ansträngningen är att känna av lågmasspartiklarna via deras energiöverföring i form av mycket svaga kvantvibrationer, som går under namn som "fononer" eller "rotoner, " till exempel, Sa Garcia-Sciveres.

"Du skulle aldrig kunna säga att en osynlig loppa slår en elefant genom att titta på elefanten. Men tänk om varje gång en osynlig loppa träffar en elefant i ena änden av flocken, en synlig loppa kastas bort från en elefant i andra änden av besättningen? "sa han.

"Du kan använda dessa sensorer för att titta efter sådana små signaler i en mycket kall kristall eller överflödigt helium, där en inkommande partikel i mörk materia är som den osynliga loppan, och den utgående synliga loppan är en kvantvibration som måste detekteras. "

Partikelfysikgemenskapen har hållit några workshops för att brainstorma möjligheterna för att upptäcka mörk massa med låg massa. "Det här är en ny regim. Det här är ett område där det inte ens finns några mätningar än. Det finns ett löfte om att QIS-tekniker kan hjälpa till att ge oss mer känslighet för de små signaler vi letar efter, "Tillade Garcia-Sciveres." Låt oss se om det är sant. "

Demonstrationsdetektorerna kommer att ha cirka 1 kubikcentimeter detektormaterial. Dan McKinsey, en senior vetenskapsman vid Berkeley Lab -fakulteten och professor i fysik vid UC Berkeley som är ansvarig för utvecklingen av flytande heliumdetektorn, sa att detektorerna kommer att konstrueras på UC Berkeley campus. Båda är utformade för att vara känsliga för partiklar med en massa lättare än protoner - de positivt laddade partiklarna som finns i atomkärnor.

Den överflödiga heliumdetektorn kommer att använda en process som kallas "kvantindunstning, "där rotoner och fononer gör att enskilda heliumatomer avdunstas från ytan av superfluid helium.

Kathryn Zurek, en fysiker från Berkeley Lab och banbrytande teoretiker i jakten på mycket lågmassa partiklar av mörk materia som arbetar med kvantsensorprojektet, sa att tekniken för att upptäcka sådana "viskningar" av mörk materia inte existerade för bara ett decennium sedan, men "har gjort stora vinster de senaste åren." Hon noterade också, "Det hade funnits en hel del skepsis om hur realistiskt det skulle vara att leta efter denna ljusmassa mörka materia, men samhället har rört sig bredare i den riktningen. "

Det finns många synergier i expertis och förmåga som har utvecklats både på Berkeley Lab och på UC Berkeley campus som gör det till en bra tid – och på rätt plats – att utveckla och tillämpa kvantteknologier i jakten på mörk materia, Sa Zurek.

Teorier som utvecklats vid Berkeley Lab tyder på att vissa exotiska material uppvisar kvanttillstånd eller "lägen" som partiklar med låg massa mörk materia kan koppla ihop med, vilket skulle göra partiklarna detekterbara - som den "synliga loppan" som refereras ovan.

"Dessa idéer är motivationen för att bygga dessa experiment för att söka efter ljus mörk materia, "Sade Zurek." Detta är en bred och mångsidig strategi, och tanken är att det ska vara en språngbräda till en större satsning."

Det nya projektet kommer från en djup erfarenhet av att bygga andra typer av partikeldetektorer, och FoU inom ultrakänsliga sensorer som arbetar vid tröskeln där ett elektriskt ledande material blir en supraledare – den "tipping point" som är känslig för de minsta fluktuationer. Versioner av dessa sensorer används redan för att söka efter små temperaturvariationer i relikmikrovågsljuset som spänner över universum.

I slutet av den treåriga demonstrationen, forskare kanske skulle kunna rikta in sig på mer exotiska typer av detektormaterial i större volymer.

"Jag är spänd på att se detta program gå vidare, och jag tror att det kommer att bli en betydande forskningsinriktning inom Physics Division på Berkeley Lab, " Hon sa, och tillägger att programmet också kan visa ultrakänsliga detektorer som har tillämpningar inom andra vetenskapsområden.