28 marca 2024 (Wiadomości Nanowerk) Od czasu odkrycia ciemna materia pozostaje niewidoczna dla naukowców, pomimo rozpoczęcia na całym świecie w ciągu kilku dziesięcioleci wielu eksperymentów z ultraczułymi detektorami cząstek. Teraz fizycy z Narodowego Laboratorium Akceleratorów SLAC Departamentu Energii (DOE) proponują nowy sposób poszukiwania ciemnej materii za pomocą urządzeń kwantowych, które mogą być w naturalny sposób dostrojone do wykrywania tego, co badacze nazywają termalizowaną ciemną materią.
(Po lewej) Nowa propozycja wykrywania ciemnej materii ma na celu poszukiwanie częstych interakcji między jądrami w detektorze a ciemną materią o niskiej energii, która może występować na Ziemi i wokół niej. (Po prawej) Konwencjonalny eksperyment z bezpośrednią detekcją szuka sporadycznych odrzutów spowodowanych rozpraszaniem ciemnej materii. (Zdj.: Anirban Das, Noah Kurinsky i Rebecca Leane) Większość eksperymentów z ciemną materią poluje na galaktyczną ciemną materię, która trafia na Ziemię rakietą bezpośrednio z kosmosu, ale inny jej rodzaj mógł wisieć wokół Ziemi od lat, powiedziała fizyk SLAC Rebecca Leane, która autor nowego badania (Physical Review Letters, „Moc indukowana ciemną materią w urządzeniach kwantowych”).
„Ciemna materia wnika w Ziemię, mocno się od niej odbija, aż w końcu zostaje uwięziona przez ziemskie pole grawitacyjne” – powiedział Leane, doprowadzając ją do równowagi, którą naukowcy nazywają termalizacją. Z biegiem czasu ta termalizowana ciemna materia osiąga gęstość większą niż kilka luźnych cząstek galaktycznych, co oznacza, że istnieje większe prawdopodobieństwo, że trafi ona w detektor. Niestety, termizowana ciemna materia porusza się znacznie wolniej niż ciemna materia galaktyczna, co oznacza, że przekazałaby znacznie mniej energii niż galaktyczna ciemna materia – prawdopodobnie zbyt mało, aby mogły ją zobaczyć tradycyjne detektory.
Mając to na uwadze, Leane i doktorant SLAC Anirban Das skontaktowali się z Noahem Kurinskym, pracownikiem naukowym w SLAC i kierownikiem nowego laboratorium skupiającego się na wykrywaniu ciemnej materii za pomocą czujników kwantowych, który zastanawiał się nad zagadką: nawet jeśli nadprzewodniki są schładzany do zera absolutnego, usuwając całą energię z układu i tworząc stabilny stan kwantowy, w jakiś sposób energia ponownie wchodzi i zakłóca stan kwantowy.
Zazwyczaj naukowcy zakładają, że dzieje się tak z powodu niedoskonałych systemów chłodzenia lub jakiegoś źródła ciepła w środowisku, powiedział Kurinksy. Może jednak istnieć inny powód, powiedział: „A co, jeśli rzeczywiście mamy idealnie zimny system, a powodem, dla którego nie możemy go skutecznie schłodzić, jest to, że jest on stale bombardowany przez ciemną materię?” Das, Kurinsky i Leane zastanawiali się, czy nadprzewodzące urządzenia kwantowe można przeprojektować jako termalizowane detektory ciemnej materii. Według ich obliczeń minimalna energia potrzebna do aktywacji czujnika kwantowego jest wystarczająco niska – około jednej tysięcznej elektronowoltów – aby mógł on wykryć niskoenergetyczną galaktyczną ciemną materię, a także termalizowane cząstki ciemnej materii wiszące wokół Ziemi.
Nie oznacza to oczywiście, że ciemna materia jest winna zakłóceń w urządzeniach kwantowych – jedynie, że jest to możliwe. Następnym krokiem, jak twierdzą Leane i Kurinsky, jest ustalenie, czy i w jaki sposób można przekształcić wrażliwe urządzenia kwantowe w detektory ciemnej materii.
W związku z tym należy wziąć pod uwagę kilka rzeczy. Na początek może istnieje lepszy materiał, z którego można wykonać urządzenie. „Na początek przyglądaliśmy się aluminium, a to dlatego, że jest to prawdopodobnie najlepiej scharakteryzowany materiał, jaki dotychczas zastosowano w detektorach” – powiedział Leane. „Ale może się okazać, że dla zakresu mas, który badamy i rodzaju detektora, którego chcemy użyć, być może istnieje lepszy materiał”. Istnieje również możliwość, że termiczna ciemna materia nie będzie oddziaływać z urządzeniem kwantowym w taki sam sposób, w jaki podejrzewa się, że galaktyczna ciemna materia oddziałuje z urządzeniami do bezpośredniego wykrywania, powiedział Leane. „W tym badaniu myśleliśmy tylko o prostym przypadku ciemnej materii wchodzącej i odbijającej się prosto od detektora, ale mogłaby ona zrobić wiele innych rzeczy”. Na przykład inne cząstki mogą oddziaływać z ciemną materią, zmieniając sposób rozmieszczenia cząstek w detektorze.
„To jedna z najwspanialszych rzeczy w byciu w SLAC” – mówi Leane.
(Po lewej) Nowa propozycja wykrywania ciemnej materii ma na celu poszukiwanie częstych interakcji między jądrami w detektorze a ciemną materią o niskiej energii, która może występować na Ziemi i wokół niej. (Po prawej) Konwencjonalny eksperyment z bezpośrednią detekcją szuka sporadycznych odrzutów spowodowanych rozpraszaniem ciemnej materii. (Zdj.: Anirban Das, Noah Kurinsky i Rebecca Leane) Większość eksperymentów z ciemną materią poluje na galaktyczną ciemną materię, która trafia na Ziemię rakietą bezpośrednio z kosmosu, ale inny jej rodzaj mógł wisieć wokół Ziemi od lat, powiedziała fizyk SLAC Rebecca Leane, która autor nowego badania (Physical Review Letters, „Moc indukowana ciemną materią w urządzeniach kwantowych”).
„Ciemna materia wnika w Ziemię, mocno się od niej odbija, aż w końcu zostaje uwięziona przez ziemskie pole grawitacyjne” – powiedział Leane, doprowadzając ją do równowagi, którą naukowcy nazywają termalizacją. Z biegiem czasu ta termalizowana ciemna materia osiąga gęstość większą niż kilka luźnych cząstek galaktycznych, co oznacza, że istnieje większe prawdopodobieństwo, że trafi ona w detektor. Niestety, termizowana ciemna materia porusza się znacznie wolniej niż ciemna materia galaktyczna, co oznacza, że przekazałaby znacznie mniej energii niż galaktyczna ciemna materia – prawdopodobnie zbyt mało, aby mogły ją zobaczyć tradycyjne detektory.
Mając to na uwadze, Leane i doktorant SLAC Anirban Das skontaktowali się z Noahem Kurinskym, pracownikiem naukowym w SLAC i kierownikiem nowego laboratorium skupiającego się na wykrywaniu ciemnej materii za pomocą czujników kwantowych, który zastanawiał się nad zagadką: nawet jeśli nadprzewodniki są schładzany do zera absolutnego, usuwając całą energię z układu i tworząc stabilny stan kwantowy, w jakiś sposób energia ponownie wchodzi i zakłóca stan kwantowy.
Zazwyczaj naukowcy zakładają, że dzieje się tak z powodu niedoskonałych systemów chłodzenia lub jakiegoś źródła ciepła w środowisku, powiedział Kurinksy. Może jednak istnieć inny powód, powiedział: „A co, jeśli rzeczywiście mamy idealnie zimny system, a powodem, dla którego nie możemy go skutecznie schłodzić, jest to, że jest on stale bombardowany przez ciemną materię?” Das, Kurinsky i Leane zastanawiali się, czy nadprzewodzące urządzenia kwantowe można przeprojektować jako termalizowane detektory ciemnej materii. Według ich obliczeń minimalna energia potrzebna do aktywacji czujnika kwantowego jest wystarczająco niska – około jednej tysięcznej elektronowoltów – aby mógł on wykryć niskoenergetyczną galaktyczną ciemną materię, a także termalizowane cząstki ciemnej materii wiszące wokół Ziemi.
Nie oznacza to oczywiście, że ciemna materia jest winna zakłóceń w urządzeniach kwantowych – jedynie, że jest to możliwe. Następnym krokiem, jak twierdzą Leane i Kurinsky, jest ustalenie, czy i w jaki sposób można przekształcić wrażliwe urządzenia kwantowe w detektory ciemnej materii.
W związku z tym należy wziąć pod uwagę kilka rzeczy. Na początek może istnieje lepszy materiał, z którego można wykonać urządzenie. „Na początek przyglądaliśmy się aluminium, a to dlatego, że jest to prawdopodobnie najlepiej scharakteryzowany materiał, jaki dotychczas zastosowano w detektorach” – powiedział Leane. „Ale może się okazać, że dla zakresu mas, który badamy i rodzaju detektora, którego chcemy użyć, być może istnieje lepszy materiał”. Istnieje również możliwość, że termiczna ciemna materia nie będzie oddziaływać z urządzeniem kwantowym w taki sam sposób, w jaki podejrzewa się, że galaktyczna ciemna materia oddziałuje z urządzeniami do bezpośredniego wykrywania, powiedział Leane. „W tym badaniu myśleliśmy tylko o prostym przypadku ciemnej materii wchodzącej i odbijającej się prosto od detektora, ale mogłaby ona zrobić wiele innych rzeczy”. Na przykład inne cząstki mogą oddziaływać z ciemną materią, zmieniając sposób rozmieszczenia cząstek w detektorze.
„To jedna z najwspanialszych rzeczy w byciu w SLAC” – mówi Leane.
- Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
- PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
- PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
- PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
- Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
- Źródło: https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=64933.php
