Uitzoeken hoe de zoektocht naar donkere materiedeeltjes kan worden uitgebreid – donkere materie beschrijft het spul dat naar schatting 85 procent van de totale massa van het universum uitmaakt, maar tot nu toe alleen is gemeten aan de hand van zijn zwaartekrachtseffecten – lijkt een beetje op het bouwen van een beter muizenval... dat wil zeggen, een muizenval voor een muis die je nog nooit hebt gezien, zal nooit direct zien, kan worden vergezeld door een vreemd assortiment van andere muizen, of misschien toch helemaal geen muis.

Nutsvoorzieningen, via een nieuw onderzoeksprogramma ondersteund door het Office of High Energy Physics (HEP) van het Amerikaanse Department of Energy, een consortium van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het DOE (Berkeley Lab), UC Berkeley, en de Universiteit van Massachusetts Amherst zal sensoren ontwikkelen die gebruik maken van de schijnbaar vreemde eigenschappen van de kwantumfysica om op nieuwe manieren naar donkere materiedeeltjes te zoeken, met verhoogde gevoeligheid, en in onbekende gebieden. Maurice Garcia-Sciveres, een Berkeley Lab-fysicus, leidt dit Quantum Sensors HEP-Quantum Information Science (QIS) Consortium.

Kwantumtechnologieën zijn in opkomst als veelbelovende alternatieven voor de meer conventionele "muizenvallen" die onderzoekers eerder hebben gebruikt om ongrijpbare deeltjes op te sporen. En de DOE, via hetzelfde HEP-kantoor, ondersteunt ook een verzameling andere onderzoeksinspanningen onder leiding van Berkeley Lab-wetenschappers die gebruikmaken van de kwantumtheorie, eigendommen, en technologieën op het gebied van QIS.

Deze inspanningen omvatten:

• Het ontrafelen van de kwantumstructuur van de kwantumchromodynamica in Parton Shower Monte Carlo-generatoren - Deze inspanning zal computerprogramma's ontwikkelen die de interacties tussen fundamentele deeltjes tot in het uiterste detail testen. Huidige computersimulaties worden beperkt door klassieke algoritmen, hoewel kwantumalgoritmen deze interacties nauwkeuriger kunnen modelleren en een betere manier kunnen bieden om deeltjesgebeurtenissen te vergelijken en te begrijpen die zijn gemeten bij CERN's Large Hadron Collider, 's werelds krachtigste deeltjesversneller. Christian Bauer van Berkeley Lab, een senior onderzoeker, zal deze inspanning leiden.
• Quantum Pattern Recognition (QPR) voor High-Energy Physics – Steeds krachtigere deeltjesversnellers vereisen enorm snellere computeralgoritmen om miljarden deeltjesgebeurtenissen per seconde te bewaken en te sorteren, en deze inspanning zal het potentieel van op kwantum gebaseerde algoritmen voor patroonherkenning ontwikkelen en bestuderen om geladen deeltjes te reconstrueren. Dergelijke algoritmen hebben het potentieel voor aanzienlijke snelheidsverbeteringen en verhoogde precisie. Onder leiding van Berkeley Lab-fysicus en Divisional Fellow Heather Gray, deze inspanning omvat high-energy physics en high-performance computing-expertise in de Physics Division van Berkeley Lab en in het National Energy Research Scientific Computing Center van het Lab, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en ook bij UC Berkeley.
• Schipper-CCD, een nieuwe Single-Photon Sensor voor Quantum Imaging – De afgelopen zes jaar Berkeley Lab en Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) hebben samengewerkt aan de ontwikkeling van een detector voor astrofysica-experimenten die de kleinste individuele lichteenheid kan detecteren, bekend als een foton. Deze Skipper-CCD-detector werd in de zomer van 2017 met succes gedemonstreerd met een ongelooflijk lage ruis die de detectie van zelfs individuele elektronen mogelijk maakte. Als volgende stap, deze door Fermilab geleide inspanning zal proberen om fotonenparen in beeld te brengen die bestaan ​​in een staat van kwantumverstrengeling, wat betekent dat hun eigenschappen inherent gerelateerd zijn - zelfs over lange afstanden - zodat de meting van een van de deeltjes noodzakelijkerwijs de eigenschappen van de andere definieert. Steve Holland, een senior wetenschapper en ingenieur bij Berkeley Lab die een pionier is in de ontwikkeling van hoogwaardige siliciumdetectoren voor een scala aan toepassingen, leidt de deelname van Berkeley Lab aan dit project.
• Geometrie en stroom van kwantuminformatie:van kwantumzwaartekracht tot kwantumtechnologie - Deze inspanning zal kwantumalgoritmen en simulaties voor eigenschappen ontwikkelen, inclusief foutcorrectie en versleuteling van informatie, die relevant zijn voor theorieën over zwarte gaten en voor kwantumcomputing met sterk verbonden arrays van supergeleidende qubits - de basiseenheden van een kwantumcomputer. Onderzoekers zullen deze ook vergelijken met meer klassieke methoden. UC Berkeley leidt dit onderzoeksprogramma, en Irfan Siddiqi, een wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en stichtend directeur van het Center for Quantum Coherent Science aan UC Berkeley, leidt de betrokkenheid van Berkeley Lab.
• Siddiqi leidt ook een apart onderzoeksprogramma, Field Programmeerbare Gate Array-gebaseerde Quantum Control voor High-Energy Physics Simulaties met Qutrits, dat gespecialiseerde tools en logica-families zal ontwikkelen voor op hoge energie-fysica gerichte kwantumcomputers. Bij deze inspanning is de Accelerator Technology and Applied Physics Division van Berkeley Lab betrokken.

Deze projecten zijn ook onderdeel van Berkeley Quantum, een partnerschap dat gebruikmaakt van de expertise en faciliteiten van Berkeley Lab en UC Berkeley om de Amerikaanse kwantumcapaciteiten te bevorderen door basisonderzoek uit te voeren, het fabriceren en testen van op kwantum gebaseerde apparaten en technologieën, en het opleiden van de volgende generatie onderzoekers.

Ook, in verschillende van haar kantoren, de DOE heeft steun aangekondigd voor een golf van andere R&D-inspanningen die collaboratieve innovatie in de kwantuminformatiewetenschap bij Berkeley Lab zullen bevorderen, bij andere nationale laboratoria, en bij partnerinstellingen.

Bij Berkeley Lab, de grootste door HEP gefinancierde QIS-gerelateerde onderneming zal een multidisciplinair team omvatten in de ontwikkeling en demonstratie van kwantumsensoren om te zoeken naar donkere materiedeeltjes met een zeer lage massa - de zogenaamde "lichte donkere materie" - door twee verschillende detectoren te instrumenteren.

Een van deze detectoren zal vloeibaar helium gebruiken bij een zeer lage temperatuur waar anders bekende verschijnselen zoals warmte en thermische geleidbaarheid kwantumgedrag vertonen. De andere detector zal speciaal vervaardigde kristallen van galliumarsenide gebruiken (zie een gerelateerd artikel), ook gekoeld tot cryogene temperaturen. De ideeën over hoe deze experimenten naar zeer lichte donkere materie kunnen zoeken, kwamen voort uit theoriewerk in Berkeley Lab.

"Er is veel onontgonnen gebied in donkere materie met een lage massa, " zei Natalie Roe, directeur van de Physics Division van Berkeley Lab en de hoofdonderzoeker van de HEP-gerelateerde kwantuminspanningen van het Lab. "We hebben alle stukjes om dit samen te trekken:in theorie, experimenten, en detectoren."

Garcia Sciveres, die de leiding heeft bij het toepassen van kwantumsensoren bij het zoeken naar donkere materie met lage massa, merkte op dat andere grote inspanningen - zoals het door Berkeley Lab geleide LUX-ZEPLIN (LZ) -experiment dat vorm krijgt in South Dakota - zullen helpen uit te roeien of donkere materiedeeltjes die bekend staan ​​als WIMP's (zwak interagerende massieve deeltjes) bestaan ​​met massa's die vergelijkbaar zijn met die van atomen. Maar LZ en soortgelijke experimenten zijn niet ontworpen om donkere materiedeeltjes met een veel lagere massa te detecteren.

"De traditionele WIMP-experimenten met donkere materie hebben nog niets gevonden, " zei hij. "En er is veel theoretisch werk aan modellen die de voorkeur geven aan deeltjes met een lagere massa dan experimenten zoals LZ kunnen meten, " voegde hij eraan toe. "Dit heeft mensen gemotiveerd om echt goed te kijken hoe je deeltjes met een zeer lage massa kunt detecteren. Het is niet zo makkelijk. Het is een heel klein signaal dat moet worden gedetecteerd zonder achtergrondruis."

Onderzoekers hopen kwantumsensoren te ontwikkelen die de ruis van ongewenste signalen beter kunnen filteren. Terwijl een traditioneel WIMP-experiment is ontworpen om de terugslag van een hele atoomkern te voelen nadat deze is "geschopt" door een donkere-materiedeeltje, donkere materiedeeltjes met een zeer lage massa zullen rechtstreeks van kernen afkaatsen zonder ze te beïnvloeden, als een vlo die op een olifant stuitert.

Het doel van de nieuwe poging is om de deeltjes met een lage massa waar te nemen via hun energieoverdracht in de vorm van zeer zwakke kwantumtrillingen, die gaan door namen als "phonons" of "rotons, " bijvoorbeeld, aldus Garcia-Sciveres.

"Je zou nooit kunnen zeggen dat een onzichtbare vlo een olifant raakt door naar de olifant te kijken. Maar wat als elke keer dat een onzichtbare vlo een olifant aan het ene uiteinde van de kudde raakt, een zichtbare vlo wordt weggeslingerd van een olifant aan de andere kant van de kudde?" zei hij.

"Je zou deze sensoren kunnen gebruiken om te kijken naar zulke kleine signalen in een erg koud kristal of supervloeibaar helium, waar een binnenkomend donkere-materiedeeltje is als de onzichtbare vlo, en de uitgaande zichtbare vlo is een kwantumtrilling die moet worden gedetecteerd."

De deeltjesfysica-gemeenschap heeft enkele workshops gehouden om te brainstormen over de mogelijkheden voor detectie van donkere materie met een lage massa. "Dit is een nieuw regime. Dit is een gebied waar er nog geen metingen zijn. Er is een belofte dat QIS-technieken ons kunnen helpen meer gevoeligheid te geven voor de kleine signalen waarnaar we op zoek zijn, " voegde Garcia-Sciveres toe. "Laten we eens kijken of dat waar is."

De demonstratiedetectoren zullen elk ongeveer 1 kubieke centimeter detectormateriaal bevatten. Dan Mc Kinsey, een senior wetenschapper aan de Berkeley Lab-faculteit en UC Berkeley natuurkunde professor die verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van de vloeibare heliumdetector, zei dat de detectoren zullen worden gebouwd op de campus van UC Berkeley. Beide zijn ontworpen om gevoelig te zijn voor deeltjes met een massa die lichter is dan protonen - de positief geladen deeltjes die zich in atoomkernen bevinden.

De superfluïde heliumdetector zal gebruik maken van een proces genaamd "kwantumverdamping, " waarin rotonen en fononen ervoor zorgen dat individuele heliumatomen van het oppervlak van supervloeibaar helium worden verdampt.

Kathryn Zurek, een Berkeley Lab-fysicus en baanbrekende theoreticus in de zoektocht naar donkere materiedeeltjes met een zeer lage massa die werkt aan het kwantumsensorproject, zei dat de technologie om dergelijke "fluisteringen" van donkere materie te detecteren niet pas tien jaar geleden bestond, maar "de afgelopen jaren grote vooruitgang heeft geboekt". Ze merkte ook op, "Er was nogal wat scepsis over hoe realistisch het zou zijn om naar deze lichte massa donkere materie te zoeken, maar de gemeenschap is breder in die richting gegaan."

Er zijn veel synergieën in de expertise en capaciteiten die zich zowel bij Berkeley Lab als op de UC Berkeley-campus hebben ontwikkeld, waardoor het een goed moment - en de juiste plaats - is om kwantumtechnologieën te ontwikkelen en toe te passen bij de jacht op donkere materie, zei Zurek.

Theorieën ontwikkeld in Berkeley Lab suggereren dat bepaalde exotische materialen kwantumtoestanden of "modi" vertonen waarmee donkere materiedeeltjes met een lage massa kunnen koppelen, waardoor de deeltjes detecteerbaar zouden zijn - zoals de "zichtbare vlo" waarnaar hierboven wordt verwezen.

"Deze ideeën zijn de motivatie voor het bouwen van deze experimenten om te zoeken naar lichte donkere materie, Zurek zei. "Dit is een brede en veelzijdige benadering, en het idee is dat het een opstap zal zijn naar een grotere inspanning."

Het nieuwe project zal putten uit een diepe ervaring in het bouwen van andere soorten deeltjesdetectoren, en R&D in ultragevoelige sensoren die werken op de drempel waar een elektrisch geleidend materiaal een supergeleider wordt - het "tipping point" dat gevoelig is voor de kleinste fluctuaties. Versies van deze sensoren worden al gebruikt om te zoeken naar kleine temperatuurvariaties in het relikwie microgolflicht dat het universum omspant.

Aan het einde van de driejarige demonstratie, onderzoekers zouden hun blik misschien kunnen richten op meer exotische soorten detectormaterialen in grotere volumes.

"Ik ben opgewonden om te zien dat dit programma vooruitgang boekt, en ik denk dat het een belangrijke onderzoeksrichting zal worden in de Physics Division van Berkeley Lab, " ze zei, eraan toevoegend dat het programma ook ultragevoelige detectoren kan demonstreren die toepassingen hebben in andere wetenschapsgebieden.