З моменту свого відкриття темна матерія продовжувала вислизати від виявлення вченими, навіть після розгортання багатьох експериментів надчутливих детекторів частинок по всьому світу протягом кількох десятиліть.
Тепер фізики Національної прискорювальної лабораторії SLAC Міністерства енергетики (DOE) пропонують новий спосіб пошуку темної матерії за допомогою квантових пристроїв, які можуть бути природним чином налаштовані на виявлення того, що дослідники називають термалізованою темною матерією.
Більшість експериментів з темною матерією шукають галактичну темну матерію, яка вилітає на Землю прямо з космосу, але інший вид, можливо, висить навколо Землі роками, сказала фізик SLAC Ребекка Лін, яка була автором нового дослідження.
«Темна матерія потрапляє в Землю, сильно відскакує і, зрештою, просто потрапляє в пастку гравітаційного поля Землі», — сказав Лін, приводячи її в рівновагу, яку вчені називають термалізованою. З часом ця термалізована темна матерія накопичується до вищої щільності, ніж кілька вільних галактичних частинок, що означає, що вона з більшою ймовірністю потрапить на детектор. На жаль, термалізована темна матерія рухається набагато повільніше, ніж галактична темна матерія, тобто вона передасть набагато менше енергії, ніж галактична темна матерія – ймовірно, занадто мало для традиційних детекторів.
Можливості квантового виявлення
Маючи це на увазі, Лін і докторант SLAC Анірбан Дас звернулися до Ноя Курінскі, штатного наукового співробітника SLAC і керівника нової лабораторії, яка зосереджена на виявленні темної матерії за допомогою квантових датчиків, який думав над головоломкою: навіть коли надпровідники є охолоджена до абсолютного нуля, видаляючи всю енергію з системи та створюючи стабільний квантовий стан, якимось чином енергія повертається та руйнує квантовий стан.
Як правило, вчені припускають, що це через недосконалі системи охолодження або якесь джерело тепла в навколишньому середовищі, сказав Курінскі. Але може бути й інша причина, сказав він: «Що, якщо ми справді маємо ідеально холодну систему, і причина, чому ми не можемо її ефективно охолодити, полягає в тому, що вона постійно піддається бомбардуванню темною матерією?»
Дас, Курінскі та Лін задалися питанням, чи можна переробити надпровідні квантові пристрої як термалізовані детектори темної матерії. Згідно з їхніми розрахунками, мінімальна енергія, необхідна для активації квантового датчика, досить низька – приблизно одна тисячна електрон-вольта – щоб він міг виявити низькоенергетичну галактичну темну матерію, а також термалізовані частинки темної матерії, що висять навколо Землі.
Звичайно, це не означає, що темна матерія винна в поломці квантових пристроїв – лише те, що це можливо. Лін і Курінскі сказали, що наступним кроком буде з’ясувати, чи зможуть вони перетворити чутливі квантові пристрої на детектори темної матерії і як це зробити.
З огляду на це, є кілька речей, які слід враховувати. Для початку, можливо, є кращий матеріал для виготовлення пристрою. «Спочатку ми розглядали алюміній, і це лише тому, що це, мабуть, найкраще охарактеризований матеріал, який досі використовувався для детекторів», — сказав Лін. «Але може виявитися, що для такого діапазону мас, який ми розглядаємо, і типу детектора, який ми хочемо використовувати, можливо, є кращий матеріал».
Також існує ймовірність того, що термалізована темна матерія не буде взаємодіяти з квантовим пристроєм, так само як підозрюється, що галактична темна матерія взаємодіє з пристроями прямого виявлення, сказав Лін. «У цьому дослідженні ми просто думали про простий випадок, коли темна матерія надходить і відскакує прямо від детектора, але вона може робити багато інших речей». Наприклад, інші частинки можуть взаємодіяти з темною матерією, що змінює спосіб розподілу частинок у детекторі.
«Це одна з чудових переваг роботи в SLAC», — каже Лін. «У нас дійсно є досить різноманітні групи, які працюють над багатьма різними науками, і я відчуваю, що цей проєкт є справді гарною синергією досліджень у SLAC».