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.
Die meisten Experimente zur Dunklen Materie suchen nach galaktischer Dunkler Materie, die direkt aus dem Weltraum auf die Erde geschossen wird, aber eine andere Art könnte sich schon seit Jahren auf der Erde herumtreiben, sagte SLAC-Physikerin Rebecca Leane, die eine Autorin der neuen Studie war.
„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 „thermalisiert“ bezeichnen.
Im Laufe der Zeit baut sich diese thermisierte Dunkle Materie zu einer höheren Dichte auf als die wenigen losen galaktischen Teilchen, was bedeutet, dass es wahrscheinlicher ist, dass sie einen Detektor trifft. Bedauerlicherweise bewegt sich thermische Dunkle Materie viel langsamer als galaktische Dunkle Materie, was bedeutet, dass sie viel weniger Energie abgeben würde als 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 einen anderen Grund geben; Er sagte: „Was wäre, wenn wir tatsächlich ein vollkommen kaltes System hätten und der Grund dafür, dass wir es nicht effektiv abkühlen können, darin besteht, dass es ständig mit dunkler Materie bombardiert wird?“
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 eines Elektronenvolts –, 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 vermutet wird, 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, was die Verteilung der Teilchen im Detektor verändert.
„Das ist eines der großartigen Dinge an der SLAC“, sagt Leane. „Wir haben wirklich ein ziemlich vielfältiges Spektrum an Gruppen, die an vielen verschiedenen Wissenschaften arbeiten, und ich denke, dass dieses Projekt eine wirklich schöne Synergie der Forschung am SLAC darstellt.“
Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Mehr Informationen:
Anirban Das et al, Dark Matter Induced Power in Quantum Devices, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.121801