暗黒物質は宇宙の全物質の約 85% を占めており、宇宙学者は暗黒物質が銀河の形成に主要な役割を果たしたと信じています。私たちは、遠方の銀河からの光が私たちに向かって進むにつれてどのように曲がるかをマッピングする天文調査のおかげで、いわゆる銀河暗黒物質の位置を知っています。しかし、熱化暗黒物質として知られるこの種の暗黒物質は大量に存在するはずであるにもかかわらず、これまでのところ、地球の重力場の中に閉じ込められた暗黒物質を検出する試みは徒労に終わっている。

問題は、熱化した暗黒物質は銀河の暗黒物質よりもはるかにゆっくりと移動することです。つまり、そのエネルギーが低すぎて従来の機器では検出できない可能性があります。物理学者たちは、 SLAC国立研究所 米国の研究チームは現在、超伝導量子ビット（量子ビット）から作られた量子センサーを使用して、まったく新しい方法で熱化暗黒物質を探索する代替案を提案している。

まったく新しいアプローチ

新しい手法のアイデアは SLAC から生まれました。 ノア・クリンスキーに取り組んでいた人 トランスモン量子ビットを光子とフォノンのアクティブセンサーとして再設計。トランスモン量子ビットは、情報を保存できるほど安定する前に絶対零度 (-273 °C) に近い温度まで冷却する必要がありますが、このような極度の低温であっても、エネルギーがシステムに再流入し、量子ビットの量子状態を破壊することがよくあります。不要なエネルギーは通常、不完全な冷却装置や環境内の熱源が原因であると考えられていますが、クリンスキー氏は、その原因にはもっと興味深いものがあるのではないかと考えました。効果的に冷却できないのは、絶えず暗黒物質の攻撃を受けているからでしょうか？」

クリンスキー氏がこの新たな可能性について熟考している間、SLAC の同僚は レベッカ・リーン は、地球内部の暗黒物質の予想密度を計算するための新しいフレームワークを開発していました。リーンが実行したこれらの新しい計算によると、 アニルバン・ダス (現在は韓国のソウル国立大学の博士研究員) によると、この局所的な暗黒物質密度は地球の表面で非常に高い可能性があり、これまで考えられていたよりもはるかに高くなっています。

「ダスと私は、この予測される高い暗黒物質密度を調査できる低しきい値のデバイスについて話し合ってきましたが、この分野での経験がほとんどなかったので、重要な意見を求めてクリンスキーに頼ることにしました」とリーン氏は説明します。 「その後、ダスは、特定の材料のフォノン（格子振動）構造を使用して暗黒物質の散乱率を計算できる新しいツールを使用して散乱計算を実行しました。」

低エネルギー閾値

研究者らは、量子暗黒物質センサーはわずか1分のXNUMX電子ボルト（XNUMXmeV）という極めて低いエネルギーで作動すると計算した。この閾値は、同等の暗黒物質検出器の閾値よりもはるかに低く、量子暗黒物質センサーが低エネルギーの銀河暗黒物質や、地球の周囲に閉じ込められた熱化暗黒物質粒子を検出できることを意味します。

研究者らは、このような検出器が日の目を見るまでには多くの研究が残っていることを認めている。まず、それを作るのに最適な素材を特定する必要があります。 「私たちはまずアルミニウムに注目していました。それは、それがおそらくこれまでに検出器に使用された材料の中で最も特性が優れているからです」とリーン氏は言います。 「しかし、我々が検討している質量範囲や、我々が使用したい検出器の種類に関しては、もっと良い材料があるかもしれないことが判明するかもしれません。」

宇宙戦闘: ダークマターと改変された重力の間の戦いを掘り下げる

研究者らは現在、その結果をより広範な暗黒物質モデルに拡張することを目指している。 「実験面では、クリンスキー研究室は、準粒子の生成、再結合、検出のより優れたモデルを構築し、ほとんど理解されていない準粒子の熱化ダイナミクスを量子ビットで研究することを目的とした専用センサーの第一弾をテスト中です」とリーン氏は語る 物理学の世界。 "超伝導体中の準粒子は、これまで考えられていたよりもはるかに効率的に冷却できないようですしかし、これらのダイナミクスがより適切に調整され、モデル化されるにつれて、結果の不確実性が少なくなり、より高感度のデバイスを作成する方法が理解できるようになるかもしれません。」

この研究の詳細は、 Physical Review Lettersに.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/