Ända sedan upptäckten har mörk materia förblivit osynlig för forskare trots lanseringen av flera ultrakänsliga partikeldetektorexperiment runt om i världen under flera decennier.
Nu föreslår fysiker vid Department of Energy (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory ett nytt sätt att leta efter mörk materia med hjälp av kvantenheter, som kan vara naturligt inställda för att upptäcka vad forskare kallar termaliserad mörk materia.
De flesta experiment med mörk materia jagar galaktisk mörk materia, som raketar in i jorden direkt från rymden, men en annan sort kan ha hängt runt jorden i flera år, säger SLAC-fysikern Rebecca Leane, som var författare till den nya studien.
"Mörk materia går in i jorden, studsar runt mycket och blir så småningom bara instängd av jordens gravitationsfält", sa Leane och förde in den i en jämvikt som forskare kallar termaliserad.
Med tiden byggs denna termaliserade mörka materia upp till en högre densitet än de få lösa galaktiska partiklarna, vilket innebär att det kan vara mer sannolikt att träffa en detektor. Tyvärr rör sig termaliserad mörk materia mycket långsammare än galaktisk mörk materia, vilket innebär att den skulle ge mycket mindre energi än galaktisk mörk materia – troligen för lite för traditionella detektorer att se.
Med det i åtanke nådde Leane och SLAC postdoktor Anirban Das ut till Noah Kurinsky, en stabsforskare vid SLAC och ledare för ett nytt labb fokuserat på att upptäcka mörk materia med kvantsensorer, som hade tänkt på ett pussel:Även när supraledare är kyls till absolut noll, tar bort all energi ur systemet och skapar ett stabilt kvanttillstånd, på något sätt kommer energi in igen och stör kvanttillståndet.
Vanligtvis antar forskare att det beror på ofullkomliga kylsystem eller någon värmekälla i miljön, sa Kurinksy. Men det kan finnas en annan anledning; han sa, "Tänk om vi faktiskt har ett perfekt kallt system, och anledningen till att vi inte kan kyla ner det effektivt är att det ständigt bombarderas av mörk materia?"
Das, Kurinsky och Leane undrade om supraledande kvantenheter kunde omdesignas som termaliserade mörk materiadetektorer. Enligt deras beräkningar är den minsta energi som behövs för att aktivera en kvantsensor tillräckligt låg – runt en tusendels elektronvolt – för att den skulle kunna upptäcka lågenergi galaktisk mörk materia såväl som termaliserade mörk materia partiklar som hänger runt jorden.
Naturligtvis betyder det inte att mörk materia är skyldig till störda kvantenheter - bara att det är möjligt. Nästa steg, sa Leane och Kurinsky, är att ta reda på om och hur de kan förvandla känsliga kvantenheter till detektorer för mörk materia.
Med det finns det några saker att tänka på. Till att börja med kanske det finns ett bättre material att göra enheten av. "Vi tittade på aluminium till att börja med, och det är bara för att det förmodligen är det bäst karakteriserade materialet som har använts för detektorer hittills," sa Leane. "Men det kan visa sig att för den typ av massintervall vi tittar på och den typ av detektor vi vill använda, kanske det finns ett bättre material."
Det finns också en möjlighet att termaliserad mörk materia inte skulle interagera med en kvantenhet på samma sätt som galaktisk mörk materia misstänks interagera med direktdetekteringsenheter, sa Leane. "I den här studien tänkte vi bara på ett enkelt fall för mörk materia som kommer in och studsar direkt från detektorn, men det kan göra många andra saker." Till exempel kan andra partiklar interagera med mörk materia, vilket förändrar hur partiklarna i detektorn fördelas.
"Det här är en av de fantastiska sakerna med att vara på SLAC," säger Leane. "Vi har verkligen en mängd olika grupper som arbetar med många olika vetenskaper, och jag känner att det här projektet är en riktigt bra synergi av forskningen vid SLAC."
Verket publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
Mer information: Anirban Das et al, Dark Matter Induced Power in Quantum Devices, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.121801
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
