28. März 2024 (Nanowerk-Neuigkeiten) Seit ihrer Entdeckung ist Dunkle Materie für Wissenschaftler unsichtbar geblieben, obwohl über mehrere Jahrzehnte weltweit zahlreiche Experimente mit hochempfindlichen Teilchendetektoren gestartet wurden. Jetzt schlagen Physiker am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) eine neue Methode zur Suche nach Dunkler Materie mithilfe von Quantengeräten vor, die auf natürliche Weise darauf abgestimmt sein könnten, das zu erkennen, was Forscher als thermisierte Dunkle Materie bezeichnen.
(Links) Der neue Vorschlag zur Erkennung dunkler Materie sucht nach häufigen Wechselwirkungen zwischen Kernen in einem Detektor und niederenergetischer dunkler Materie, die in und um die Erde vorhanden sein könnte. (Rechts) Ein herkömmliches Direktdetektionsexperiment sucht nach gelegentlichen Rückstößen durch die Streuung dunkler Materie. (Bild: Anirban Das, Noah Kurinsky und Rebecca Leane) Die meisten Experimente zur Dunklen Materie sind auf der Suche nach galaktischer Dunkler Materie, die direkt aus dem Weltraum auf die Erde geschossen wird, aber eine andere Art könnte schon seit Jahren auf der Erde herumlungern, sagte die SLAC-Physikerin Rebecca Leane ein Autor der neuen Studie (Physical Review Letters, „Durch Dunkle Materie induzierte Energie in Quantengeräten“).
„Dunkle Materie dringt in die Erde ein, springt viel herum und wird schließlich einfach vom Gravitationsfeld der Erde eingefangen“, sagte Leane und brachte sie in ein Gleichgewicht, das Wissenschaftler als Thermalisierung bezeichnen. Mit der Zeit baut sich diese thermische Dunkle Materie zu einer höheren Dichte auf als die wenigen losen, galaktischen Teilchen, was bedeutet, dass es wahrscheinlicher ist, dass sie auf einen Detektor trifft. Leider bewegt sich die thermische Dunkle Materie viel langsamer als die galaktische Dunkle Materie, was bedeutet, dass sie viel weniger Energie abgeben würde als die galaktische Dunkle Materie – wahrscheinlich zu wenig, als dass herkömmliche Detektoren sie erkennen könnten.
Vor diesem Hintergrund wandten sich Leane und SLAC-Postdoktorand Anirban Das an Noah Kurinsky, einen wissenschaftlichen Mitarbeiter am SLAC und Leiter eines neuen Labors, das sich auf die Erkennung dunkler Materie mit Quantensensoren konzentriert, der über ein Rätsel nachgedacht hatte: Auch wenn es Supraleiter gibt Auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt, wodurch die gesamte Energie aus dem System entfernt und ein stabiler Quantenzustand erzeugt wird, tritt irgendwie Energie wieder ein und stört den Quantenzustand.
Normalerweise gehen Wissenschaftler davon aus, dass dies an fehlerhaften Kühlsystemen oder einer Wärmequelle in der Umgebung liegt, sagte Kurinksy. Aber es könnte noch einen anderen Grund geben, sagte er: „Was wäre, wenn wir tatsächlich ein vollkommen kaltes System hätten und der Grund dafür, dass wir es nicht effektiv abkühlen könnten, darin bestehe, dass es ständig mit Dunkler Materie bombardiert werde?“ Das, Kurinsky und Leane fragten sich, ob supraleitende Quantengeräte als thermisierte Detektoren für dunkle Materie umgestaltet werden könnten. Ihren Berechnungen zufolge ist die zur Aktivierung eines Quantensensors erforderliche Mindestenergie niedrig genug – etwa ein Tausendstel Elektronenvolt –, um niederenergetische galaktische Dunkle Materie sowie thermisierte Dunkle-Materie-Partikel, die um die Erde herumschweben, zu erkennen.
Das bedeutet natürlich nicht, dass dunkle Materie für gestörte Quantengeräte verantwortlich ist – nur, dass es möglich ist. Der nächste Schritt bestehe laut Leane und Kurinsky darin, herauszufinden, ob und wie sie empfindliche Quantengeräte in Detektoren für dunkle Materie verwandeln können.
Dabei gibt es einige Dinge zu beachten. Zunächst einmal gibt es vielleicht ein besseres Material, aus dem das Gerät hergestellt werden kann. „Wir haben uns zunächst mit Aluminium beschäftigt, und zwar nur deshalb, weil es wahrscheinlich das am besten charakterisierte Material ist, das bisher für Detektoren verwendet wurde“, sagte Leane. „Aber es könnte sich herausstellen, dass es für den Massenbereich, den wir betrachten, und die Art von Detektor, den wir verwenden möchten, vielleicht ein besseres Material gibt.“ Es bestehe auch die Möglichkeit, dass thermisierte Dunkle Materie nicht mit einem Quantengerät interagieren würde, so wie man vermutet, dass galaktische Dunkle Materie mit Direktdetektionsgeräten interagiert, sagte Leane. „In dieser Studie dachten wir nur über einen einfachen Fall nach, bei dem dunkle Materie eindringt und direkt vom Detektor abprallt, aber sie könnte noch viele andere Dinge bewirken.“ Beispielsweise könnten andere Teilchen mit dunkler Materie interagieren und so die Verteilung der Teilchen im Detektor verändern.
„Das ist eines der großartigen Dinge an der Arbeit am SLAC“, sagt Leane.
(Links) Der neue Vorschlag zur Erkennung dunkler Materie sucht nach häufigen Wechselwirkungen zwischen Kernen in einem Detektor und niederenergetischer dunkler Materie, die in und um die Erde vorhanden sein könnte. (Rechts) Ein herkömmliches Direktdetektionsexperiment sucht nach gelegentlichen Rückstößen durch die Streuung dunkler Materie. (Bild: Anirban Das, Noah Kurinsky und Rebecca Leane) Die meisten Experimente zur Dunklen Materie sind auf der Suche nach galaktischer Dunkler Materie, die direkt aus dem Weltraum auf die Erde geschossen wird, aber eine andere Art könnte schon seit Jahren auf der Erde herumlungern, sagte die SLAC-Physikerin Rebecca Leane ein Autor der neuen Studie (Physical Review Letters, „Durch Dunkle Materie induzierte Energie in Quantengeräten“).
„Dunkle Materie dringt in die Erde ein, springt viel herum und wird schließlich einfach vom Gravitationsfeld der Erde eingefangen“, sagte Leane und brachte sie in ein Gleichgewicht, das Wissenschaftler als Thermalisierung bezeichnen. Mit der Zeit baut sich diese thermische Dunkle Materie zu einer höheren Dichte auf als die wenigen losen, galaktischen Teilchen, was bedeutet, dass es wahrscheinlicher ist, dass sie auf einen Detektor trifft. Leider bewegt sich die thermische Dunkle Materie viel langsamer als die galaktische Dunkle Materie, was bedeutet, dass sie viel weniger Energie abgeben würde als die galaktische Dunkle Materie – wahrscheinlich zu wenig, als dass herkömmliche Detektoren sie erkennen könnten.
Vor diesem Hintergrund wandten sich Leane und SLAC-Postdoktorand Anirban Das an Noah Kurinsky, einen wissenschaftlichen Mitarbeiter am SLAC und Leiter eines neuen Labors, das sich auf die Erkennung dunkler Materie mit Quantensensoren konzentriert, der über ein Rätsel nachgedacht hatte: Auch wenn es Supraleiter gibt Auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt, wodurch die gesamte Energie aus dem System entfernt und ein stabiler Quantenzustand erzeugt wird, tritt irgendwie Energie wieder ein und stört den Quantenzustand.
Normalerweise gehen Wissenschaftler davon aus, dass dies an fehlerhaften Kühlsystemen oder einer Wärmequelle in der Umgebung liegt, sagte Kurinksy. Aber es könnte noch einen anderen Grund geben, sagte er: „Was wäre, wenn wir tatsächlich ein vollkommen kaltes System hätten und der Grund dafür, dass wir es nicht effektiv abkühlen könnten, darin bestehe, dass es ständig mit Dunkler Materie bombardiert werde?“ Das, Kurinsky und Leane fragten sich, ob supraleitende Quantengeräte als thermisierte Detektoren für dunkle Materie umgestaltet werden könnten. Ihren Berechnungen zufolge ist die zur Aktivierung eines Quantensensors erforderliche Mindestenergie niedrig genug – etwa ein Tausendstel Elektronenvolt –, um niederenergetische galaktische Dunkle Materie sowie thermisierte Dunkle-Materie-Partikel, die um die Erde herumschweben, zu erkennen.
Das bedeutet natürlich nicht, dass dunkle Materie für gestörte Quantengeräte verantwortlich ist – nur, dass es möglich ist. Der nächste Schritt bestehe laut Leane und Kurinsky darin, herauszufinden, ob und wie sie empfindliche Quantengeräte in Detektoren für dunkle Materie verwandeln können.
Dabei gibt es einige Dinge zu beachten. Zunächst einmal gibt es vielleicht ein besseres Material, aus dem das Gerät hergestellt werden kann. „Wir haben uns zunächst mit Aluminium beschäftigt, und zwar nur deshalb, weil es wahrscheinlich das am besten charakterisierte Material ist, das bisher für Detektoren verwendet wurde“, sagte Leane. „Aber es könnte sich herausstellen, dass es für den Massenbereich, den wir betrachten, und die Art von Detektor, den wir verwenden möchten, vielleicht ein besseres Material gibt.“ Es bestehe auch die Möglichkeit, dass thermisierte Dunkle Materie nicht mit einem Quantengerät interagieren würde, so wie man vermutet, dass galaktische Dunkle Materie mit Direktdetektionsgeräten interagiert, sagte Leane. „In dieser Studie dachten wir nur über einen einfachen Fall nach, bei dem dunkle Materie eindringt und direkt vom Detektor abprallt, aber sie könnte noch viele andere Dinge bewirken.“ Beispielsweise könnten andere Teilchen mit dunkler Materie interagieren und so die Verteilung der Teilchen im Detektor verändern.
„Das ist eines der großartigen Dinge an der Arbeit am SLAC“, sagt Leane.
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=64933.php
