28 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻）自从暗物质被发现以来，尽管几十年来世界各地启动了多个超灵敏粒子探测器实验，但暗物质仍然对科学家来说是不可见的。现在，美国能源部 (DOE) SLAC 国家加速器实验室的物理学家正在提出一种使用量子设备寻找暗物质的新方法，这种设备可能会自然地调整以检测研究人员所说的热化暗物质。
（左）新的暗物质探测提案寻找探测器中的原子核与地球内部和周围可能存在的低能暗物质之间的频繁相互作用。 （右）传统的直接探测实验寻找暗物质散射引起的偶尔反冲。 （图片来源：Anirban Das、Noah Kurinsky 和 Rebecca Leane）SLAC 物理学家 Rebecca Leane 表示，大多数暗物质实验都是寻找银河暗物质，这些暗物质直接从太空飞入地球，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊多年。这项新研究的作者（“物理评论快报”, “量子设备中的暗物质感应功率”).
莱恩说：“暗物质进入地球，四处反弹，最终被地球引力场捕获。”这使其进入科学家称之为热化的平衡状态。 随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞击探测器。 不幸的是，热化暗物质的移动速度比银河暗物质慢得多，这意味着它传递的能量比银河暗物质少得多——对于传统探测器来说可能太少了。
考虑到这一点，Leane 和 SLAC 博士后研究员 Anirban Das 联系了 SLAC 的科学家、专注于用量子传感器探测暗物质的新实验室的负责人 Noah Kurinsky，他一直在思考一个难题：即使超导体冷却到绝对零，将所有能量移出系统并创建稳定的量子态，能量以某种方式重新进入并破坏量子态。
库林斯基说，通常情况下，科学家认为这是由于冷却系统不完善或环境中存在某些热源造成的。 但可能还有另一个原因，他说：“如果我们实际上有一个完全冷的系统，而我们无法有效冷却它的原因是因为它不断受到暗物质的轰击，该怎么办？”达斯、库林斯基和利恩想知道是否可以将超导量子设备重新设计为热化暗物质探测器。 根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低——大约千分之一电子伏特——它可以检测低能银河暗物质以及悬挂在地球周围的热化暗物质粒子。
当然，这并不意味着暗物质是量子设备中断的罪魁祸首——只是这是有可能的。 莱恩和库林斯基说，下一步是弄清楚他们是否以及如何将敏感的量子设备转变为暗物质探测器。
因此，有一些事情需要考虑。 对于初学者来说，也许有更好的材料来制造该设备。 “我们首先考虑的是铝，这只是因为这可能是迄今为止用于探测器的最好的特性材料，”Leane 说。 “但结果可能是，对于我们正在研究的质量范围，以及我们想要使用的探测器，也许有更好的材料。”莱恩说，热化暗物质也有可能不会与量子设备相互作用，就像银河系暗物质与直接探测设备相互作用一样。 “在这项研究中，我们只是考虑暗物质进入并直接从探测器反弹的简单情况，但它可以做很多其他事情。”例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，从而改变探测器中粒子的分布方式。
“这是在 SLAC 的一大好处，”Leane 说。
（左）新的暗物质探测提案寻找探测器中的原子核与地球内部和周围可能存在的低能暗物质之间的频繁相互作用。 （右）传统的直接探测实验寻找暗物质散射引起的偶尔反冲。 （图片来源：Anirban Das、Noah Kurinsky 和 Rebecca Leane）SLAC 物理学家 Rebecca Leane 表示，大多数暗物质实验都是寻找银河暗物质，这些暗物质直接从太空飞入地球，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊多年。这项新研究的作者（“物理评论快报”, “量子设备中的暗物质感应功率”).
莱恩说：“暗物质进入地球，四处反弹，最终被地球引力场捕获。”这使其进入科学家称之为热化的平衡状态。 随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞击探测器。 不幸的是，热化暗物质的移动速度比银河暗物质慢得多，这意味着它传递的能量比银河暗物质少得多——对于传统探测器来说可能太少了。
考虑到这一点，Leane 和 SLAC 博士后研究员 Anirban Das 联系了 SLAC 的科学家、专注于用量子传感器探测暗物质的新实验室的负责人 Noah Kurinsky，他一直在思考一个难题：即使超导体冷却到绝对零，将所有能量移出系统并创建稳定的量子态，能量以某种方式重新进入并破坏量子态。
库林斯基说，通常情况下，科学家认为这是由于冷却系统不完善或环境中存在某些热源造成的。 但可能还有另一个原因，他说：“如果我们实际上有一个完全冷的系统，而我们无法有效冷却它的原因是因为它不断受到暗物质的轰击，该怎么办？”达斯、库林斯基和利恩想知道是否可以将超导量子设备重新设计为热化暗物质探测器。 根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低——大约千分之一电子伏特——它可以检测低能银河暗物质以及悬挂在地球周围的热化暗物质粒子。
当然，这并不意味着暗物质是量子设备中断的罪魁祸首——只是这是有可能的。 莱恩和库林斯基说，下一步是弄清楚他们是否以及如何将敏感的量子设备转变为暗物质探测器。
因此，有一些事情需要考虑。 对于初学者来说，也许有更好的材料来制造该设备。 “我们首先考虑的是铝，这只是因为这可能是迄今为止用于探测器的最好的特性材料，”Leane 说。 “但结果可能是，对于我们正在研究的质量范围，以及我们想要使用的探测器，也许有更好的材料。”莱恩说，热化暗物质也有可能不会与量子设备相互作用，就像银河系暗物质与直接探测设备相互作用一样。 “在这项研究中，我们只是考虑暗物质进入并直接从探测器反弹的简单情况，但它可以做很多其他事情。”例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，从而改变探测器中粒子的分布方式。
“这是在 SLAC 的一大好处，”Leane 说。
