Nadprzewodnikowe nanodruty można wykorzystać do wykrywania ciemnej materii

Jednym z wielkich poszukiwań naukowych naszych czasów jest polowanie na ciemną materię. Fizycy wierzą, że te rzeczy wypełniają wszechświat i sądzą, że widzą na to dowody w sposobie rotacji galaktyk. Rzeczywiście, galaktyki obracają się tak szybko, że powinny się rozlecieć, chyba że jakaś ukryta masa generuje wystarczającą siłę grawitacyjną, aby utrzymać je razem.

Te dowody skłoniły fizyków do szukania ciemnej materii na Ziemi. Zbudowali dziesiątki obserwatoriów, większość z nich w podziemnych jaskiniach głęboko pod powierzchnią, gdzie hałas w tle jest niski. Stawką jest naukowa sława i fortuna, a grupa, która znajdzie ciemną materię, prawdopodobnie zostanie sowicie wynagrodzona.

Ale do tej pory fizycy nie znaleźli dokładnie niczego. Jeśli tam jest, ciemna materia jest bardzo dobrze ukryta. Albo fizycy szukali w niewłaściwym miejscu. Jedną z możliwości jest to, że cząstki ciemnej materii są zbyt małe, aby można je było zobaczyć w obecnych eksperymentach. Dlatego fizycy desperacko chcą lepszych, bardziej czułych sposobów wykrywania tych rzeczy.

Oto Yonit Hochberg z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie w Izraelu i kilku kolegów, którzy opracowali obiecujący nowy czujnik oparty na maleńkich nadprzewodnikach. Prototyp zespołu już pokazuje potencjał tego podejścia.

Zasada działania nowego urządzenia jest prosta. Schładzają niektóre metale poniżej temperatury krytycznej i przewodzą bez oporu. Ale gdy tylko ich temperatura wzrośnie powyżej tego progu, nadprzewodnictwo zanika.

Fizycy wiedzą, że cząstki ciemnej materii nie mogą silnie oddziaływać z materią widzialną; inaczej już by je zobaczyli. Ale cząstki ciemnej materii mogą zderzyć się czołowo ze zwykłymi cząstkami.

Zderzenia te są rzadkie, ponieważ zwykła materia to w większości pusta przestrzeń, więc cząstki ciemnej materii mogą przejść prosto. Ale kiedy zderzają się na przykład z jądrem atomowym lub elektronem w sieci, zderzenie powoduje wibrację sieci, podnosząc w ten sposób jej temperaturę.

Właśnie ten wzrost temperatury dobrze ujawniają nadprzewodnikowe nanodruty. Nagrzewanie powoduje, że niewielka część drutu przestaje nadprzewodnictwo, a to z kolei wytwarza impuls napięciowy, który można łatwo zmierzyć. Co więcej, takie urządzenie generuje niewiele, jeśli w ogóle, fałszywych alarmów.

Hochberg i spółka przetestowali swój pomysł, budując prototyp. Urządzenie to składa się z zestawu nanodrutów z krzemku wolframu o szerokości zaledwie 140 nanometrów (ludzki włos ma szerokość około 100 000 nanometrów) i długości 400 mikrometrów. Całe urządzenie znajduje się zaledwie kilka milistopni powyżej zera absolutnego, tak że druty z krzemku wolframu stają się nadprzewodnikami.

Zespół następnie poszukał impulsów napięcia, które mogą ujawnić kolizję ciemnej materii. Po zamontowaniu odpowiedniego ekranowania nie znaleźli żadnych impulsów podczas trwających 10 000 sekund pomiarów.

Nakłada to istotne ograniczenia na rodzaj ciemnej materii, która może być obecna i jej gęstość. Nakłada również ograniczenia na inne rodzaje cząstek, o których przypuszczają fizycy.

Jednym z nich jest ciemny foton — zasadniczo odpowiednik ciemnej materii zwykłego fotonu. Jeśli istnieją, to nowy czujnik nie wykrył ani jednego. Wyniki uzyskane z tego urządzenia już ustanawiają znaczące ograniczenia interakcji między ciemną materią a elektronami, w tym najsilniejsze jak dotąd ziemskie ograniczenia absorpcji ciemnych fotonów poniżej eV, twierdzą Hochberg i współpracownicy.

To imponująca praca, biorąc pod uwagę, że masa nanodrutów to zaledwie kilka nanogramów. Kolejnym etapem jest ich sfabrykowanie na większą skalę. Hochberg i spółka twierdzą, że technologia jest stosunkowo dojrzała, więc powinno to być możliwe w krótkim czasie. Rzeczywiście szacują, że laboratorium akademickie mogłoby wyprodukować tysiąc 200-nanometrowych detektorów o łącznej masie 1,3 grama w ciągu zaledwie roku. Podkreślają, że wysiłek przemysłowy mógłby osiągnąć wielokrotnie więcej.

Tak więc detektor w skali kilograma może być wykonalny w niedalekiej przyszłości. Taka maszyna rywalizowałaby z tymi, które już działają w poszukiwaniu ciemnej materii, ale patrzyłaby na różne energie w inny sposób.

Może się więc zdarzyć, że nadprzewodnikowe nanodruty pewnego dnia odkryją ciemną materię — jeśli w ogóle istnieje.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1903.05101 : Wykrywanie ciemnej materii za pomocą nadprzewodzących nanoprzewodów

ukryć