Wetenschap
Natuurkundigen stellen een nieuwe manier voor om naar donkere materie te zoeken:kleinschalige oplossingen kunnen de sleutel zijn tot het oplossen van grootschalige mysteries
Sinds de ontdekking ervan is donkere materie onzichtbaar gebleven voor wetenschappers, ondanks de lancering van meerdere ultragevoelige deeltjesdetectorexperimenten over de hele wereld gedurende tientallen jaren.
Nu stellen natuurkundigen van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy (DOE) een nieuwe manier voor om naar donkere materie te zoeken met behulp van kwantumapparaten, die op natuurlijke wijze kunnen worden afgestemd om te detecteren wat onderzoekers thermische donkere materie noemen.
De meeste experimenten met donkere materie jagen op galactische donkere materie, die rechtstreeks vanuit de ruimte de aarde binnen schiet, maar een andere soort zou al jaren rond de aarde kunnen rondhangen, zegt SLAC-natuurkundige Rebecca Leane, auteur van de nieuwe studie.
"Donkere materie dringt de aarde binnen, stuitert veel rond en raakt uiteindelijk gevangen in het zwaartekrachtveld van de aarde", zegt Leane, waarmee hij het in evenwicht brengt dat wetenschappers thermisch noemen.
In de loop van de tijd bouwt deze gethermiseerde donkere materie zich op tot een hogere dichtheid dan de weinige losse galactische deeltjes, wat betekent dat de kans groter is dat ze een detector raken. Helaas beweegt gethermiseerde donkere materie veel langzamer dan galactische donkere materie, wat betekent dat het veel minder energie zou afgeven dan galactische donkere materie – waarschijnlijk te weinig voor traditionele detectoren om te zien.
Met dat in gedachten namen Leane en SLAC postdoctoraal collega Anirban Das contact op met Noah Kurinsky, een stafwetenschapper bij SLAC en leider van een nieuw laboratorium dat zich richt op het detecteren van donkere materie met kwantumsensoren, die over een puzzel had nagedacht:zelfs als supergeleiders afgekoeld tot het absolute nulpunt, waardoor alle energie uit het systeem wordt verwijderd en een stabiele kwantumtoestand wordt gecreëerd, komt energie op de een of andere manier weer binnen en verstoort de kwantumtoestand.
Normaal gesproken gaan wetenschappers ervan uit dat dit komt door onvolmaakte koelsystemen of een warmtebron in de omgeving, zei Kurinksy. Maar er kan een andere reden zijn; hij zei:"Wat als we eigenlijk een volkomen koud systeem hebben, en de reden dat we het niet effectief kunnen afkoelen is dat het voortdurend wordt gebombardeerd door donkere materie?"
Das, Kurinsky en Leane vroegen zich af of supergeleidende kwantumapparaten opnieuw konden worden ontworpen als gethermaliseerde detectoren voor donkere materie. Volgens hun berekeningen is de minimale energie die nodig is om een kwantumsensor te activeren laag genoeg – ongeveer een duizendste van een elektronvolt – om energiezuinige galactische donkere materie te kunnen detecteren, evenals gethermiseerde donkere materiedeeltjes die rond de aarde hangen. P>
Dat betekent natuurlijk niet dat donkere materie verantwoordelijk is voor verstoorde kwantumapparaten – alleen dat het mogelijk is. De volgende stap, aldus Leane en Kurinsky, is uitzoeken of en hoe ze gevoelige kwantumapparaten kunnen omzetten in detectoren voor donkere materie.
Daarbij zijn er een paar dingen waarmee u rekening moet houden. Om te beginnen is er misschien een beter materiaal om het apparaat van te maken. "We keken om te beginnen naar aluminium, en dat is alleen maar omdat dat waarschijnlijk het best gekarakteriseerde materiaal is dat tot nu toe voor detectoren is gebruikt", zegt Leane. "Maar het zou kunnen blijken dat er voor het soort massabereik waar we naar kijken en het soort detector dat we willen gebruiken, misschien een beter materiaal bestaat."
Er is ook een mogelijkheid dat gethermiseerde donkere materie niet zou interageren met een kwantumapparaat op dezelfde manier waarop wordt vermoed dat galactische donkere materie interageert met directe detectieapparatuur, zei Leane. "In deze studie dachten we alleen maar aan een eenvoudig geval waarin donkere materie binnenkomt en rechtstreeks van de detector stuitert, maar het zou nog veel meer dingen kunnen doen." Andere deeltjes kunnen bijvoorbeeld interageren met donkere materie, waardoor de manier verandert waarop de deeltjes in de detector worden verdeeld.
"Dit is een van de leuke dingen aan het werken bij SLAC", zegt Leane. "We hebben echt een heel divers scala aan groepen die aan veel verschillende wetenschapsgebieden werken, en ik denk dat dit project een hele mooie synergie is van het onderzoek bij SLAC."
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .