Najzimniejsze detektory kwantowe na świecie poszukują ciemnej materii

Jedna z największych tajemnic nauki może być bliższa rozwiązania.

Prawie 80% materii we wszechświecie jest ciemna, co oznacza, że ​​nie można jej zobaczyć. W rzeczywistości ciemna materia nieustannie przez nas przepływa – być może z szybkością bilionów cząstek na sekundę.

Wiemy, że istnieją, ponieważ widzimy wpływ ich grawitacji, ale przeprowadzone dotychczas eksperymenty nie wykazały ich wykrycia.

Korzystając z najnowszych technologii kwantowych, naukowcy z Lancaster University, University of Oxford i Royal Holloway University of London budują najczulsze jak dotąd detektory ciemnej materii.

Ich publiczna wystawa, Kwantowy widok niewidzialnego wszechświata, jest prezentowana na sztandarowej wystawie Royal Society w tym roku Letnie Targi Nauki Do 7 lipca 2024 r.

Do badaczy należą dr Michael Thompson, profesor Edward Leread, dr Dmitry Zmeev i dr Samuli Otti z Lancaster, profesor Jocelyn Munro z Oksfordu i profesor Andrew Casey z RHUL.

Dr Otte, członek Rady ds. Inżynierii i Badań Fizycznych, powiedział: „Korzystamy z technik kwantowych w ekstremalnie niskich temperaturach, aby zbudować najbardziej czułe jak dotąd detektory. Celem jest obserwacja tej tajemniczej substancji bezpośrednio w laboratorium i rozwiązanie jednego z nich największych tajemnic nauki”.

Istnieją pośrednie dowody obserwacyjne sugerujące typową gęstość ciemnej materii w galaktyce, ale masy jej cząstek składowych i ich możliwe interakcje ze zwykłymi atomami są nieznane.

Teoria fizyki cząstek sugeruje dwóch możliwych kandydatów na ciemną materię: nowe cząstki z oddziaływaniami tak słabymi, że jeszcze ich nie zaobserwowaliśmy, oraz bardzo lekkie, falopodobne cząstki zwane aksjonami. Zespół buduje dwa eksperymenty, po jednym do wyszukania każdego z nich.

Wśród kandydatów nowe cząstki z ultrasłabymi oddziaływaniami można odkryć w wyniku zderzeń ze zwykłą materią. Jednak to, czy zderzenia te uda się zidentyfikować w eksperymencie, zależy od masy badanej ciemnej materii. Większość dotychczasowych poszukiwań pozwoliła wykryć cząstki ciemnej materii, które są od pięciu do tysiąca razy cięższe od atomu wodoru, ale możliwe jest, że istnieją jaśniejsze cząstki ciemnej materii, które mogły nie zostać odkryte.

Wzmocnione kwantowo techniki nadciekłe w badaniu ciemnej materii i kosmologii ((Zadanie-DMC) Celem zespołu jest osiągnięcie wiodącej na świecie czułości na zderzenia z kandydatami na ciemną materię o masach od 0,01 do kilku atomów wodoru. W tym celu detektor składa się z nadciekłego helu-3, schłodzonego do mikroskopijnego stanu kwantowego i wyposażonego w nadprzewodzące wzmacniacze kwantowe. Połączenie tych dwóch technik kwantowych zapewnia czułość umożliwiającą pomiar wyjątkowo słabych sygnatur zderzeń ciemnej materii.

Z drugiej strony, gdyby ciemna materia składała się z aksjonów, byłaby bardzo lekka – ponad miliard razy lżejsza od atomu wodoru – ale odpowiednio liczniejsza. Naukowcy nie będą w stanie wykryć kolizji z aksjonami, zamiast tego mogą szukać innego znaku — sygnału elektrycznego wytwarzanego podczas rozpadu aksjonów w polu magnetycznym. Efekt ten można zmierzyć jedynie przy użyciu bardzo czułej lupy pracującej z najwyższą rozdzielczością dozwoloną przez mechanikę kwantową. Dlatego zespół Quantum Sensors for the Hidden Sector (QSHS) opracowuje nową klasę wzmacniaczy kwantowych dobrze nadających się do wyszukiwania sygnału aksjonowego.

Pawilon na tegorocznej wystawie umożliwi odwiedzającym zobaczenie tego, co niewidoczne, dzięki innowacyjnym, praktycznym eksponatom, odpowiednim dla wszystkich grup wiekowych.

Aby zilustrować, w jaki sposób wnioskujemy o ciemnej materii z obserwacji galaktyk, znajdujemy żyroskop w pudełku poruszanym w zaskakujący sposób pod wpływem niewidzialnego momentu pędu. W cieczach znajdziemy także przezroczyste szklane kulki, które pokazują, jak za pomocą sprytnych eksperymentów można zaobserwować niewidzialne masy.

Świecąca lodówka rozcieńczająca zademonstruje, w jaki sposób zespół osiąga ekstremalnie niskie temperatury, a model detektora zderzeń cząstek ciemnej materii pokaże, jak zachowywałby się nasz Wszechświat, gdyby ciemna materia zachowywała się jak zwykła materia.

Zwiedzający mogą następnie wyszukiwać ciemną materię za pomocą typowego detektora aksjonowego, skanując częstotliwość odbiornika radiowego, a także mogą stworzyć własny wzmacniacz parametryczny za pomocą wahadła.

Kosmolog Carlos Frenk, członek Towarzystwa Królewskiego i przewodniczący Komitetu ds. Zaangażowania Publicznego, powiedział: „Nauka jest niezbędna, aby pomóc nam zrozumieć świat, w którym żyjemy – przeszły, teraźniejszy i przyszły. Zachęcam gości w każdym wieku, aby przyszli z otwartym umysłem umysł, ciekawość i entuzjazm oraz świętować niesamowite osiągnięcia naukowe, z których korzystamy wszyscy”.

Badania prowadzone na tej wystawie są wspierane w ramach programu UKRI Quantum Technologies for Fundamental Physics.