Nachweis dunkler Materie im Planck-Maßstab durch Nutzung von Quanteninterferenz

Während verschiedene Studien auf die Existenz dunkler Materie hinweisen, sind ihre Natur, Zusammensetzung und zugrunde liegende Physik noch immer kaum verstanden.

In den letzten Jahren haben Physiker Theorien über verschiedene mögliche Kandidaten für Dunkle Materie aufgestellt und nach ihnen gesucht, darunter Teilchen mit Massen auf der Planck-Skala (etwa 1,22×1019 GeV oder 2,18×10−8 kg), die mit Quantengravitationseffekten in Zusammenhang stehen könnten.

Forscher der Universität Aix-Marseille und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation stellten kürzlich die Hypothese auf, dass dunkle Materie im Planck-Maßstab mithilfe hochempfindlicher, durch die Schwerkraft vermittelter Quantenphasenverschiebungen nachgewiesen werden könnte. Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungstellt ein Protokoll vor, das die Erkennung dieser hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchen mithilfe von Josephson-Kontakten ermöglichen soll.

„Diese Studie entstand aus einer Idee von Alejandro Perez“, sagte Carlo Rovelli, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org.

„Wir drei unterrichteten alle an einer Schule für Quantengravitation und Quanteninformation, die vom QISS-Forschungskonsortium auf dem Land in Frankreich organisiert wurde, und da wir uns kennen, aber normalerweise in verschiedenen Städten leben, beschlossen wir, dort eine Wohnung zu teilen.

„Alejandro hatte die Idee, dass eine spezielle Art von Quanteninterferenz, die durch eine Gravitationskraft erzeugt wird und als mögliche Möglichkeit zur Aufdeckung eines Quantengravitationseffekts in einem Labor diskutiert wird, auch zum Nachweis dunkler Materie im Planck-Maßstab verwendet werden könnte.“

Christodoulou und seine Kollegen am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation erforschten seit einigen Jahren die Möglichkeit, Teilchen dunkler Materie mit Massen im Planck-Maßstab nachzuweisen. Ursprünglich konzentrierten sie sich auf die Möglichkeit, diese Teilchen mithilfe eines Quantensensors nachzuweisen, eine Idee, die Christodoulou auch 2022 bei einem Workshop in Griechenland mit Rovelli diskutierte.

„Ich ließ einen Studenten eine Berechnung durchführen, bei der es um die klassische Bewegung des Teilchens aufgrund seiner Gravitationsanziehung ging und die damals als erster Schritt zum Nachdenken über Quantensensorik mithilfe von in Wien entwickelten Technologien angesehen wurde. Doch das war eine falsche Idee, „, sagte Marios Christodoulou, Co-Autor der Studie.

„Während ich in Frankreich einen Kurs über die Theorie hinter den durch die Schwerkraft vermittelten Verschränkungsexperimenten hielt, ging es mir vor allem darum, dass die Wirkung der Schwerkraft normalerweise darin besteht, dass ‚ineinander fallende Dinge‘ sind, der Grund dafür aber in der Interferometrie Die winzige Wirkung der Schwerkraft verstärken kann, liegt darin, dass sie nichts damit zu tun hat, sondern nur mit dem Wert der Aktion, die in einer Quantenumgebung unterschiedliche Werte annehmen kann, selbst wenn man die „ineinander fallenden Dinge“ vernachlässigt.“

Als er an der Universität Toulon in Frankreich war, begann Christodoulou, mit Alejandro Perez, einem Seniorprofessor an der Universität, über die Ideen zu diskutieren, die er in seiner Forschung untersuchte. Dies initiierte die Zusammenarbeit, die letztendlich zu dieser Studie führte.

„Dann erzählte ich ihm, dass ich einen Studenten habe, der versucht, den ‚Dinge fallen ineinander‘-Effekt für einen klassischen Sensor zu berechnen, was uns später erlauben würde, an einen Quantensensor zu denken. Alejandro erwähnte, dass ich gerade argumentiert hatte, dass das falsch sei „Es war eine Sache, die ich tun musste, und ich hatte es nicht bemerkt“, sagte Christodoulou. „Da kam mir die Idee in den Sinn und dann verbrachte Alejandro ein paar Tage an seinem Laptop mit der Berechnung, die das Rückgrat der Arbeit bildet.“

Die Studie dieser Forschergruppe baut auf früheren Studien von Rovelli auf, die Plancksche Schwarze Löcher (Schwarze Löcher mit Massen auf Planck-Niveau) vom theoretischen Standpunkt der Schleifenquantengravitationstheorie aus beschrieben. Seine Theorie legte nahe, dass diese Teilchen nur gravitativ interagieren, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für dunkle Materie machte.

„Ich war 2021 von dieser Idee besessen, als mir klar wurde, dass ein ausreichend heißer Urknall genau die richtige Menge solcher Schwarzen Löcher produzieren würde, die nötig wäre, um die heute beobachtete Häufigkeit dunkler Materie zu erklären“, sagte Perez.

„Der Urknall muss eine Anfangstemperatur nahe der Planck-Temperatur haben, was aus Sicht der Quantengravitation auch eine natürliche Möglichkeit ist. Ich nenne dies ‚das Gravitationswunder‘ in Anlehnung an das sogenannte WIMP-Wunder, das den Urknall motivierte.“ Ich habe nach WIMPS gesucht, als die Leute stark an Supersymmetrie glaubten).

Rovelli, Christodoulou und Perez begannen daraufhin, diese Idee eingehender zu untersuchen und mögliche Möglichkeiten zu finden, sie zu testen. Sie konzentrierten sich zunächst auf mögliche Methoden zum Testen der Quantenmechanik in Fällen, in denen die Schwerkraft relevant ist.

„Ich habe einen Vortrag von Markus Aspelmeyer auf der QISS-Konferenz besucht, wo unglaubliche Experimente in diesem Bereich durchgeführt werden, die vor einiger Zeit unmöglich schienen“, sagte Perez. „An diesem Nachmittag führten wir drei Diskussionen und die Idee für das Papier entstand ganz natürlich.“

Basierend auf Rovellis früheren theoretischen Studien zu Schwarzen Löchern stellten die Forscher die Hypothese auf, dass Objekte im Planck-Maßstab existieren. In diesen früheren Arbeiten schlugen sie vor, dass Schwarze Löcher am Ende ihres Lebens zu Teilchen im Planck-Maßstab mit langer Lebensdauer werden könnten. Diese Partikel wären extrem klein und hätten doch beträchtliche Massen, etwa einige Bruchteile eines Mikrogramms.

„Unsere Haupthypothese war, dass es in der Natur Planck-Massenteilchen mit einem Querschnitt von etwa Planck gibt“, sagte Christodoulou.

„Diese hätten eine relativ große Gravitationsanziehung, da die Planck-Masse etwa der Masse eines menschlichen Haares entspricht. Sie ist klein, aber groß genug, dass ihre Gravitationsanziehung kaum nachweisbar ist. Diese stellen sehr natürliche Kandidaten für Dunkle Materie dar, da wir wissen, dass Dunkle Materie gravitativ interagiert.“ aber in keiner anderen Weise signifikant, und so würde man erwarten, dass sich diese Teilchen verhalten.

Im Wesentlichen schlugen die Forscher vor, dass ein Testteilchen (also eine Sonde) in einer Überlagerung (also gleichzeitig in mehreren Zuständen existierend), das sich an zwei verschiedenen Orten befindet, an beiden Orten ein Gravitationsfeld spüren würde, wenn ein Teilchen mit einem Planck- Die Schuppenmasse strömt daran vorbei. Dies würde einen Quanteneffekt erzeugen, der nachweisbar wäre, wenn die beiden Zustände der Sonde experimentell dazu gebracht würden, miteinander zu interferieren.

„Um den Effekt tatsächlich zu messen (da die Wellenfunktion uns nur sagt, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, den Ort zu finden, an dem sich das Sondenteilchen befindet), muss man die Beobachtung viele Male wiederholen und Statistiken erstellen“, sagte Perez.

„Das Problem ist, dass wir diesen Luxus nicht haben, da die Teilchen der Dunklen Materie sehr selten sind (ihre Dichte ist sehr gering) und das Experiment daher nicht beliebig oft wiederholt werden kann.“

„Aus praktischen Gründen ist es am besten, anzunehmen, dass das Sondenteilchen einen Spin (als Elektron) hat, und dann ist es einfacher, ein ideales Experiment zu erstellen, bei dem man die Interferenz (nicht in der Position), sondern in der Spinvariablen misst. Doch die Schwierigkeit.“ Die Möglichkeit, das Experiment viele Male wiederholen zu müssen, bleibt in diesem verbesserten Szenario bestehen.

In ihrer Arbeit zeigt das Team, dass es möglich sein könnte, mithilfe eines Systems, in dem sich viele Teilchen in einem kohärenten kollektiven Quantenzustand befinden, nach Teilchen im Planck-Maßstab zu suchen. Dieses Protokoll würde die Notwendigkeit beseitigen, ein Experiment mehrmals zu wiederholen.

„Man hat etwa 1023 Elektronen/cm3 in einem speziellen Quantenzustand, in dem sich alle wie ein einziges verhalten (sie werden durch eine kollektive Einzelwellenfunktion beschrieben)“, sagte Perez.

„In einem Josephson-Kontakt befinden sie sich (in gewisser Weise) an verschiedenen Orten auf jeder Seite des Übergangs (einer räumlichen Lücke, die zwei Supraleiter trennt). Der Durchgang eines Dunkle-Materie-Teilchens wirkt sich auf jeder Seite unterschiedlich (gravitativ) aus Da sie sich in unterschiedlichen Abständen befinden, erzeugt die Interferenz zwischen der Wellenfunktion an den beiden Seiten einen makroskopischen Effekt: einen Strom über die Übergänge (Elektronen tunneln über die Lücke).

Das von den Forschern vorgeschlagene Protokoll macht die mehrmalige Wiederholung eines Experiments überflüssig. Dies ist auf die große Anzahl von Elektronen zurückzuführen, die an einem einzelnen Durchgang eines Teilchens der Dunklen Materie im Planck-Maßstab beteiligt sind, was den Bedarf an statistischen Berechnungen verringert.

„Der Strom über die Lücke ist der Durchschnitt (im statistischen Sinne) der probabilistischen Reaktion jedes der 1023 Elektronen/cm3“, sagte Perez. „Es ist, als ob eine makroskopische Anzahl von Experimenten der ersten Art auf einmal durchgeführt worden wäre.“

Diese aktuelle Arbeit von Rovelli, Christodoulou und Perez könnte bald neue Möglichkeiten für die Suche nach Teilchen der Dunklen Materie im Planck-Maßstab eröffnen. Das von ihnen vorgeschlagene Protokoll könnte in Zukunft zum ersten Nachweis dieser äußerst schwer fassbaren Partikel beitragen.

„Unsere Arbeit bietet eine konkrete Möglichkeit, solche Partikel zu erkennen“, sagte Rovelli.

„Das Interesse besteht darin, dass solche Teilchen ein Hauptbestandteil der mysteriösen dunklen Materie sein könnten, die von den Astronomen entdeckt wurde. Wenn der von uns vorgeschlagene Nachweis gelänge, wäre das spektakulär: Gleichzeitig würde er uns sagen, um welche dunkle Materie es sich handelt.“ Das heißt, es würde die Ideen der Quantengravitation bestätigen, was zu der Idee führen würde, dass dieses Teilchen existiert, und insbesondere die Schleifenquantengravitation, die die Grundlage der Vorhersage ist, und es würde auch eine neue Art von Objekten in der Natur offenbaren: diese Planck-Skala Teilchen.“

Das von diesem Forschungsteam entwickelte Protokoll könnte als Grundlage für die Entwicklung neuer Detektoren zur Suche nach Teilchen der Dunklen Materie mit Massen im Planck-Maßstab dienen. Rovelli, ein theoretischer Physiker, führt derzeit neue Studien durch, um zu verstehen, wie sich Schwarze Löcher zu diesen hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie entwickeln könnten.

„Die Erkennung solcher Partikel wird technologisch eine große Herausforderung darstellen und es könnte Raum geben, über andere Methoden zur Erkennung nachzudenken, die das gleiche Prinzip, aber andere Sensoren verwenden“, sagte Christodoulou. „Das ist etwas, das ich im Hinterkopf behalte und über das ich nachdenke.“

Während Rovelli nun seine theoretische Arbeit fortsetzt, haben Christodoulou und Perez Kooperationen mit anderen Experimentalphysikern wie Gerard Higgins und Martin Zemlicka an der ÖEAW in Wien initiiert. Diese Kooperationen könnten zu Studien führen, die die Möglichkeit der Messung von Gravitationsfeldern mithilfe von Supraleitern untersuchen.

„Ich glaube, dass die Hypothese, dass dunkle Materie aus Planckschen Massenteilchen besteht, andere Beobachtungskonsequenzen in der Astrophysik haben muss“, fügte Perez hinzu.

„Zum Beispiel könnte ihre extrem schwache Wechselwirkung mit anderen Teilchen (in Kombination mit ihrer quantenmechanischen Natur) darauf hindeuten, dass sich solche dunkle Materie bei der Strukturbildung über ihre Gravitationsanziehung anders verhält als erwartet: Es ist möglich, dass dies einige Rätsel in der Struktur von erklären könnte.“ die galaktischen Halos.

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