寻找暗物质的新方法：小尺度解决方案可能是解决大规模谜团的关键
（左）新的暗物质探测方案寻找探测器中的原子核与可能存在于地球内部和周围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的偶尔后坐力。图片来源：Anirban Das、Noah Kurinsky 和 Rebecca Leane
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，但科学家们仍然看不见暗物质。
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，这种设备可以自然地进行调整，以检测研究人员所谓的热化暗物质。
大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这些暗物质直接从太空发射到地球，但另一种可能已经在地球上徘徊多年，SLAC物理学家Rebecca Leane说，他是这项新研究的作者。
“暗物质进入地球，反弹很多，最终被地球的引力场困住，”莱恩说，将其带入科学家称之为热化的平衡状态。
随着时间的流逝，这种热化的暗物质会比少数松散的星系粒子积聚到更高的密度，这意味着它更有可能撞击探测器。不幸的是，热化的暗物质比银河系暗物质移动得慢得多，这意味着它传递的能量比银河系暗物质少得多——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 Noah Kurinsky，他是 SLAC 的一名科学家，也是一个专注于用量子传感器探测暗物质的新实验室的负责人，他一直在思考一个难题：即使超导体被冷却到绝对零度，将所有能量从系统中移除并产生稳定的量子态， 不知何故，能量重新进入并破坏了量子态。
通常，科学家们认为这是由于冷却系统不完善或环境中的某些热源，Kurinksy说。但可能还有另一个原因;他说，“如果我们真的有一个完全冷的系统，而我们不能有效地冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击，那会怎样？
Das、Kurinsky和Leane想知道超导量子器件是否可以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——大约是电子伏特的千分之一——它可以探测到低能的银河系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器件中断的罪魁祸首，只是说这是可能的。Leane和Kurinsky说，下一步是弄清楚他们是否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。
有了这个，有几件事需要考虑。对于初学者来说，也许有更好的材料来制造设备。“我们一开始就考虑了铝，这只是因为它可能是迄今为止用于探测器的最佳材料，”Leane说。“但事实证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。
Leane说，还有一种可能性是，热化的暗物质不会像银河系暗物质与直接探测设备相互作用那样与量子设备相互作用。“在这项研究中，我们只是在考虑一个简单的暗物质进入并直接从探测器上反弹的情况，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。“我们确实有相当多的不同小组从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是SLAC研究的一个非常好的协同作用。
这项工作发表在《物理评论快报》杂志上。
更多信息：Anirban Das 等人，量子器件中的暗物质感应功率，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.121801
期刊信息： Physical Review Letters