מדענים מציעים דרך חדשה לחפש חומר אפל

מאז גילויו, החומר האפל המשיך לחמוק מגילוי על ידי מדענים, אפילו עם פריסת ניסויים מרובים של גלאי חלקיקים רגישים ברחבי העולם במשך כמה עשורים.

כעת, פיזיקאים במעבדת המאיץ הלאומית SLAC של משרד האנרגיה (DOE) מציעים דרך חדשה לחפש חומר אפל באמצעות התקנים קוונטיים, אשר עשויים להיות מכוונים באופן טבעי לזהות מה שהחוקרים מכנים חומר אפל תרמי.

רוב ניסויי החומר האפל מחפשים חומר אפל גלקטי, שמטיל רקעים אל כדור הארץ ישירות מהחלל, אבל אולי סוג אחר היה תלוי סביב כדור הארץ במשך שנים, אמרה הפיזיקאית של SLAC רבקה ליאן, שהייתה מחברת המחקר החדש.

"חומר אפל נכנס לכדור הארץ, מקפץ הרבה, ובסופו של דבר פשוט נכלא על ידי שדה הכבידה של כדור הארץ," אמר ליאן, והביא אותו לשיווי משקל שמדענים מתייחסים אליו כאל תרמי. עם הזמן, החומר האפל התרמי הזה מצטבר לצפיפות גבוהה יותר מכמה חלקיקים גלקטיים רופפים, כלומר יש סיכוי גבוה יותר שיפגע בגלאי. למרבה הצער, חומר אפל תרמי זז הרבה יותר לאט מחומר אפל גלקטי, כלומר הוא יעניק הרבה פחות אנרגיה מחומר אפל גלקטי – כנראה מעט מדי לגלאים מסורתיים לראות.

אפשרויות זיהוי קוונטי

מתוך מחשבה על כך, ליאן ועמית פוסט-דוקטורט של SLAC Anirban Das פנו אל נוח קורינסקי, מדען צוות ב-SLAC ומנהיג מעבדה חדשה המתמקדת באיתור חומר אפל באמצעות חיישנים קוונטיים, שחשב על חידה: אפילו כאשר מוליכים הם מקורר עד אפס מוחלטהוצאת כל האנרגיה מהמערכת ויצירת מצב קוונטי יציב, איכשהו אנרגיה חוזרת ומשבשת את המצב הקוונטי.

בדרך כלל, מדענים מניחים שזה בגלל מערכות קירור לא מושלמות או מקור חום כלשהו בסביבה, אמר קורינקסי. אבל יכולה להיות סיבה נוספת, הוא אמר: "מה אם יש לנו מערכת קרה לחלוטין, והסיבה שאנחנו לא יכולים לקרר אותה ביעילות היא בגלל שהיא מופגזת כל הזמן על ידי חומר אפל?"

דאס, קורינסקי וליין תהו האם ניתן לעצב מחדש מכשירים קוונטיים מוליכי-על כגלאי חומר אפל בתרמית. על פי החישובים שלהם, האנרגיה המינימלית הדרושה להפעלת חיישן קוונטי נמוכה מספיק – בסביבות אלפית האלקטרון וולט – כדי שהוא יוכל לזהות חומר אפל גלקטי באנרגיה נמוכה כמו גם חלקיקי חומר אפל תרמו התלויים סביב כדור הארץ.

כמובן, זה לא אומר שהחומר האפל אשם במכשירים קוונטיים משובשים – רק שזה אפשרי. השלב הבא, אמרו ליאן וקורינסקי, הוא להבין אם וכיצד הם יכולים להפוך מכשירים קוונטיים רגישים לגלאי חומר אפל.

עם זה, יש כמה דברים שצריך לקחת בחשבון. בתור התחלה, אולי יש חומר טוב יותר להכין ממנו את המכשיר. "אנחנו הסתכלנו על אלומיניום מלכתחילה, וזה רק בגלל שזה כנראה החומר המאופיין הטוב ביותר ששימש לגלאים עד כה," אמר ליאן. "אבל יכול להתברר שעבור סוג טווח המסה שאנחנו מסתכלים עליו, וסוג הגלאי שאנחנו רוצים להשתמש בו, אולי יש חומר טוב יותר."

קיימת גם אפשרות שחומר אפל בתרמית לא יקיים אינטראקציה עם מכשיר קוונטי באותו אופן שבו נחשד שחומר אפל גלקטי מקיים אינטראקציה עם מכשירי זיהוי ישיר, אמר ליאן. "במחקר הזה, רק חשבנו על מקרה פשוט לחומר אפל שנכנס ומקפץ ישר מהגלאי, אבל זה יכול לעשות הרבה דברים אחרים." לדוגמה, חלקיקים אחרים יכולים לקיים אינטראקציה עם חומר אפל שמשנים את אופן הפצת החלקיקים בגלאי.

"זה אחד הדברים הגדולים בלהיות ב-SLAC", אומר ליאן. "יש לנו באמת מגוון די מגוון של קבוצות שעובדות על הרבה מדע שונים, ואני מרגיש שהפרויקט הזה הוא סינרגיה ממש נחמדה של המחקר ב-SLAC."

המחקר מומן על ידי משרד המדע DOE.