28 Μαρτίου 2024 (Ειδήσεις Nanowerk) Από την ανακάλυψή της, η σκοτεινή ύλη παρέμεινε αόρατη στους επιστήμονες, παρά την έναρξη πολλαπλών πειραμάτων υπερευαίσθητων ανιχνευτών σωματιδίων σε όλο τον κόσμο για αρκετές δεκαετίες. Τώρα, οι φυσικοί του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντή SLAC του Υπουργείου Ενέργειας (DOE) προτείνουν έναν νέο τρόπο αναζήτησης της σκοτεινής ύλης χρησιμοποιώντας κβαντικές συσκευές, οι οποίες θα μπορούσαν φυσικά να ρυθμιστούν για να ανιχνεύσουν αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν θερμική σκοτεινή ύλη.
(Αριστερά) Η νέα πρόταση ανίχνευσης σκοτεινής ύλης αναζητά συχνές αλληλεπιδράσεις μεταξύ πυρήνων σε έναν ανιχνευτή και σκοτεινής ύλης χαμηλής ενέργειας που μπορεί να υπάρχει μέσα και γύρω από τη Γη. (Δεξιά) Ένα συμβατικό πείραμα άμεσης ανίχνευσης αναζητά περιστασιακές οπισθοδρομήσεις από τη σκέδαση της σκοτεινής ύλης. (Εικόνα: Anirban Das, Noah Kurinsky και Rebecca Leane) Τα περισσότερα πειράματα σκοτεινής ύλης κυνηγούν τη γαλαξιακή σκοτεινή ύλη, η οποία εκτοξεύεται στη Γη απευθείας από το διάστημα, αλλά ένα άλλο είδος μπορεί να κρέμεται γύρω από τη Γη εδώ και χρόνια, είπε η φυσικός SLAC Rebecca Leane, η οποία ήταν ένας συγγραφέας στη νέα μελέτη (Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης, «Δύναμη που προκαλείται από τη σκοτεινή ύλη σε κβαντικές συσκευές»).
«Η σκοτεινή ύλη πηγαίνει στη Γη, αναπηδά πολύ και τελικά παγιδεύεται από το βαρυτικό πεδίο της Γης», είπε ο Leane, φέρνοντάς την σε μια ισορροπία που οι επιστήμονες την αναφέρουν ως θερμική. Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η θερμική σκοτεινή ύλη συσσωρεύεται σε μεγαλύτερη πυκνότητα από τα λίγα χαλαρά, γαλαξιακά σωματίδια, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσε να είναι πιο πιθανό να χτυπήσει έναν ανιχνευτή. Δυστυχώς, η θερμική σκοτεινή ύλη κινείται πολύ πιο αργά από τη γαλαξιακή σκοτεινή ύλη, που σημαίνει ότι θα προσέδιδε πολύ λιγότερη ενέργεια από τη γαλαξιακή σκοτεινή ύλη – πιθανότατα πολύ λίγη για να τη δουν οι παραδοσιακοί ανιχνευτές.
Έχοντας αυτό κατά νου, ο Leane και ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης της SLAC, Anirban Das, επικοινώνησαν με τον Noah Kurinsky, επιστήμονα του προσωπικού της SLAC και επικεφαλής ενός νέου εργαστηρίου επικεντρωμένου στην ανίχνευση της σκοτεινής ύλης με κβαντικούς αισθητήρες, ο οποίος είχε σκεφτεί ένα παζλ: Ακόμα και όταν οι υπεραγωγοί είναι ψύχεται στο απόλυτο μηδέν, αφαιρώντας όλη την ενέργεια από το σύστημα και δημιουργώντας μια σταθερή κβαντική κατάσταση, με κάποιο τρόπο η ενέργεια επανεισέρχεται και διαταράσσει την κβαντική κατάσταση.
Συνήθως, οι επιστήμονες υποθέτουν ότι αυτό οφείλεται σε ατελή συστήματα ψύξης ή σε κάποια πηγή θερμότητας στο περιβάλλον, είπε ο Kurinksy. Αλλά θα μπορούσε να υπάρχει ένας άλλος λόγος, είπε: «Τι θα συμβεί αν έχουμε πραγματικά ένα απόλυτα ψυχρό σύστημα και ο λόγος που δεν μπορούμε να το ψύξουμε αποτελεσματικά είναι επειδή βομβαρδίζεται συνεχώς από τη σκοτεινή ύλη;» Ο Das, ο Kurinsky και ο Leane αναρωτήθηκαν εάν οι υπεραγώγιμες κβαντικές συσκευές θα μπορούσαν να επανασχεδιαστούν ως ανιχνευτές θερμικής σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την ενεργοποίηση ενός κβαντικού αισθητήρα είναι αρκετά χαμηλή - περίπου το ένα χιλιοστό του ηλεκτρονιοβολτ - ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει χαμηλής ενέργειας γαλαξιακή σκοτεινή ύλη καθώς και θερμικά σωματίδια σκοτεινής ύλης που κρέμονται γύρω από τη Γη.
Φυσικά, αυτό δεν σημαίνει ότι η σκοτεινή ύλη ευθύνεται για τις διαταραγμένες κβαντικές συσκευές – μόνο ότι είναι δυνατό. Το επόμενο βήμα, είπαν οι Leane και Kurinsky, είναι να καταλάβουμε εάν και πώς μπορούν να μετατρέψουν τις ευαίσθητες κβαντικές συσκευές σε ανιχνευτές σκοτεινής ύλης.
Με αυτό, υπάρχουν μερικά πράγματα που πρέπει να λάβετε υπόψη. Για αρχή, ίσως υπάρχει καλύτερο υλικό για να φτιάξετε τη συσκευή. «Ψάχναμε για αρχή το αλουμίνιο, και αυτό συμβαίνει ακριβώς επειδή αυτό είναι ίσως το καλύτερο χαρακτηριστικό υλικό που έχει χρησιμοποιηθεί για ανιχνευτές μέχρι στιγμής», είπε ο Leane. «Αλλά θα μπορούσε να αποδειχθεί ότι για το είδος του εύρους μάζας που εξετάζουμε και το είδος του ανιχνευτή που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε, ίσως υπάρχει καλύτερο υλικό». Υπάρχει επίσης η πιθανότητα η θερμική σκοτεινή ύλη να μην αλληλεπιδράσει με μια κβαντική συσκευή με τον ίδιο τρόπο που υποπτεύεται ότι η γαλαξιακή σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με συσκευές άμεσης ανίχνευσης, είπε ο Leane. «Σε αυτή τη μελέτη, σκεφτόμασταν απλώς μια απλή περίπτωση σκοτεινής ύλης που εισέρχεται και αναπηδά κατευθείαν από τον ανιχνευτή, αλλά θα μπορούσε να κάνει πολλά άλλα πράγματα». Για παράδειγμα, άλλα σωματίδια θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με τη σκοτεινή ύλη που αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο κατανέμονται τα σωματίδια στον ανιχνευτή.
«Αυτό είναι ένα από τα σπουδαία πράγματα για το να είσαι στο SLAC», λέει ο Leane.
(Αριστερά) Η νέα πρόταση ανίχνευσης σκοτεινής ύλης αναζητά συχνές αλληλεπιδράσεις μεταξύ πυρήνων σε έναν ανιχνευτή και σκοτεινής ύλης χαμηλής ενέργειας που μπορεί να υπάρχει μέσα και γύρω από τη Γη. (Δεξιά) Ένα συμβατικό πείραμα άμεσης ανίχνευσης αναζητά περιστασιακές οπισθοδρομήσεις από τη σκέδαση της σκοτεινής ύλης. (Εικόνα: Anirban Das, Noah Kurinsky και Rebecca Leane) Τα περισσότερα πειράματα σκοτεινής ύλης κυνηγούν τη γαλαξιακή σκοτεινή ύλη, η οποία εκτοξεύεται στη Γη απευθείας από το διάστημα, αλλά ένα άλλο είδος μπορεί να κρέμεται γύρω από τη Γη εδώ και χρόνια, είπε η φυσικός SLAC Rebecca Leane, η οποία ήταν ένας συγγραφέας στη νέα μελέτη (Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης, «Δύναμη που προκαλείται από τη σκοτεινή ύλη σε κβαντικές συσκευές»).
«Η σκοτεινή ύλη πηγαίνει στη Γη, αναπηδά πολύ και τελικά παγιδεύεται από το βαρυτικό πεδίο της Γης», είπε ο Leane, φέρνοντάς την σε μια ισορροπία που οι επιστήμονες την αναφέρουν ως θερμική. Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η θερμική σκοτεινή ύλη συσσωρεύεται σε μεγαλύτερη πυκνότητα από τα λίγα χαλαρά, γαλαξιακά σωματίδια, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσε να είναι πιο πιθανό να χτυπήσει έναν ανιχνευτή. Δυστυχώς, η θερμική σκοτεινή ύλη κινείται πολύ πιο αργά από τη γαλαξιακή σκοτεινή ύλη, που σημαίνει ότι θα προσέδιδε πολύ λιγότερη ενέργεια από τη γαλαξιακή σκοτεινή ύλη – πιθανότατα πολύ λίγη για να τη δουν οι παραδοσιακοί ανιχνευτές.
Έχοντας αυτό κατά νου, ο Leane και ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης της SLAC, Anirban Das, επικοινώνησαν με τον Noah Kurinsky, επιστήμονα του προσωπικού της SLAC και επικεφαλής ενός νέου εργαστηρίου επικεντρωμένου στην ανίχνευση της σκοτεινής ύλης με κβαντικούς αισθητήρες, ο οποίος είχε σκεφτεί ένα παζλ: Ακόμα και όταν οι υπεραγωγοί είναι ψύχεται στο απόλυτο μηδέν, αφαιρώντας όλη την ενέργεια από το σύστημα και δημιουργώντας μια σταθερή κβαντική κατάσταση, με κάποιο τρόπο η ενέργεια επανεισέρχεται και διαταράσσει την κβαντική κατάσταση.
Συνήθως, οι επιστήμονες υποθέτουν ότι αυτό οφείλεται σε ατελή συστήματα ψύξης ή σε κάποια πηγή θερμότητας στο περιβάλλον, είπε ο Kurinksy. Αλλά θα μπορούσε να υπάρχει ένας άλλος λόγος, είπε: «Τι θα συμβεί αν έχουμε πραγματικά ένα απόλυτα ψυχρό σύστημα και ο λόγος που δεν μπορούμε να το ψύξουμε αποτελεσματικά είναι επειδή βομβαρδίζεται συνεχώς από τη σκοτεινή ύλη;» Ο Das, ο Kurinsky και ο Leane αναρωτήθηκαν εάν οι υπεραγώγιμες κβαντικές συσκευές θα μπορούσαν να επανασχεδιαστούν ως ανιχνευτές θερμικής σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την ενεργοποίηση ενός κβαντικού αισθητήρα είναι αρκετά χαμηλή - περίπου το ένα χιλιοστό του ηλεκτρονιοβολτ - ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει χαμηλής ενέργειας γαλαξιακή σκοτεινή ύλη καθώς και θερμικά σωματίδια σκοτεινής ύλης που κρέμονται γύρω από τη Γη.
Φυσικά, αυτό δεν σημαίνει ότι η σκοτεινή ύλη ευθύνεται για τις διαταραγμένες κβαντικές συσκευές – μόνο ότι είναι δυνατό. Το επόμενο βήμα, είπαν οι Leane και Kurinsky, είναι να καταλάβουμε εάν και πώς μπορούν να μετατρέψουν τις ευαίσθητες κβαντικές συσκευές σε ανιχνευτές σκοτεινής ύλης.
Με αυτό, υπάρχουν μερικά πράγματα που πρέπει να λάβετε υπόψη. Για αρχή, ίσως υπάρχει καλύτερο υλικό για να φτιάξετε τη συσκευή. «Ψάχναμε για αρχή το αλουμίνιο, και αυτό συμβαίνει ακριβώς επειδή αυτό είναι ίσως το καλύτερο χαρακτηριστικό υλικό που έχει χρησιμοποιηθεί για ανιχνευτές μέχρι στιγμής», είπε ο Leane. «Αλλά θα μπορούσε να αποδειχθεί ότι για το είδος του εύρους μάζας που εξετάζουμε και το είδος του ανιχνευτή που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε, ίσως υπάρχει καλύτερο υλικό». Υπάρχει επίσης η πιθανότητα η θερμική σκοτεινή ύλη να μην αλληλεπιδράσει με μια κβαντική συσκευή με τον ίδιο τρόπο που υποπτεύεται ότι η γαλαξιακή σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με συσκευές άμεσης ανίχνευσης, είπε ο Leane. «Σε αυτή τη μελέτη, σκεφτόμασταν απλώς μια απλή περίπτωση σκοτεινής ύλης που εισέρχεται και αναπηδά κατευθείαν από τον ανιχνευτή, αλλά θα μπορούσε να κάνει πολλά άλλα πράγματα». Για παράδειγμα, άλλα σωματίδια θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με τη σκοτεινή ύλη που αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο κατανέμονται τα σωματίδια στον ανιχνευτή.
«Αυτό είναι ένα από τα σπουδαία πράγματα για το να είσαι στο SLAC», λέει ο Leane.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=64933.php
