所提出的新暗物质探测方法将寻找探测器中的Atom核与地球内部和周围可能存在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引起的偶尔反冲。 图片由 Anirban Das、Noah Kurinsky 和 Rebecca Leane 提供
暗物质约占Cosmos总物质的 85%，Cosmos学家认为它在星系的形成中发挥了重要作用。 通过天文勘测，我们知道了这种所谓的星系暗物质的位置，这些勘测绘制了来自遥远星系的光线在射向我们时如何弯曲的地图。 但到目前为止，探测地球引力场内暗物质的努力却一无所获，尽管这种类型的暗物质——被称为热化暗物质——应该存在更多的数量。
问题在于，热化暗物质的传播速度比银河暗物质慢得多，这意味着它的能量可能太低，传统仪器无法探测到。 美国 SLAC 国家实验室的物理学家现在提出了一种替代方案，即使用由超导量子位（量子位）制成的量子传感器以全新的方式寻找热化暗物质。
一种全新的方法
新方法的想法来自 SLAC 的诺亚·库林斯基 (Noah Kurinsky)，他正在致力于将传输量子位重新设计为光子和声子的主动传感器。 Transmon 量子位需要冷却到接近绝对零 (- 273 °C) 的温度，然后才能变得足够稳定以存储信息，但即使在这些极低的温度下，能量也经常会重新进入系统并破坏量子位的量子态。 这些不需要的能量通常被归咎于不完善的冷却设备或环境中的某些热源，但库林斯基突然想到，它可能有一个更有趣的起源：“如果我们实际上有一个完全冷的系统会怎么样，我们可以这样做的原因是不能有效冷却是因为它不断受到暗物质的轰击？”
当库林斯基思考这种新奇的可能性时，他的 SLAC 同事丽贝卡·利恩正在开发一个新的框架来计算地球内部暗物质的预期密度。 根据 Leane 与 Anirban Das（现为韩国首尔国立大学博士后研究员）进行的这些新计算，地球表面的局部暗物质密度可能非常高，比之前认为的要高得多。
“达斯和我一直在讨论什么可能的低阈值设备可以探测如此高的预测暗物质密度，但由于之前在这一领域的经验很少，我们向库林斯基寻求重要的意见，”莱恩解释道。 “然后，Das 使用新工具进行散射计算，这些新工具允许使用给定材料的声子（晶格振动）结构来计算暗物质散射率。”
低能量阈值
研究人员计算出，量子暗物质传感器将以千分之一电子伏特（1 meV）的极低能量激活。 这个阈值比任何同类暗物质探测器的阈值都要低得多，这意味着量子暗物质传感器可以探测低能银河暗物质以及地球周围捕获的热化暗物质粒子。
研究人员承认，在这种探测器问世之前，还有很多工作要做。 其一，他们必须找到制作它的最佳材料。 “我们首先考虑的是铝，这只是因为这可能是迄今为止用于探测器的最好的特性材料，”Leane 说。 “但结果可能是，对于我们正在研究的质量范围，以及我们想要使用的探测器，也许有更好的材料。”
研究人员现在的目标是将他们的结果扩展到更广泛的暗物质模型中。 “在实验方面，库林斯基的实验室正在测试第一轮专用传感器，旨在建立更好的准粒子生成、重组和检测模型，并研究量子位中准粒子的热化动力学，这是人们知之甚少的事情，”Leane 说道。物理世界。 “超导体中的准粒子冷却效率似乎比以前想象的要低得多，但随着这些动力学得到更好的校准和建模，结果将变得不那么不确定，我们可能会了解如何制造更灵敏的设备。”
该研究在《物理评测快报》中有详细介绍。
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