Supraledande nanotrådar skulle kunna användas för att detektera mörk materia

En av vår tids stora vetenskapliga sökningar är jakten på mörk materia. Fysiker tror att det här fyller universum och tror att de kan se bevis på det i hur galaxer roterar. Galaxer snurrar faktiskt så snabbt att de borde flyga isär om inte någon dold massa genererar tillräckligt med gravitationskraft för att hålla ihop dem.

De bevisen har fått fysiker att skratta för att hitta mörk materia på jorden. De har byggt dussintals observatorier, de flesta i underjordiska grottor djupt under ytan, där bakgrundsljudet är lågt. Det är vetenskapligt berömmelse och rikedom som står på spel, och gruppen som finner mörk materia kommer sannolikt att bli rikligt belönad.

Men hittills har fysiker inte hittat någonting. Om det finns där ute är mörk materia mycket väl gömd. Eller så har fysiker letat på fel ställe. En möjlighet är att partiklar av mörk materia är för små för att nuvarande experiment ska kunna se. Så fysiker vill desperat ha bättre, känsligare sätt att upptäcka dessa saker.

Gå in Yonit Hochberg vid Hebrew University of Jerusalem i Israel och några kollegor, som har utvecklat en lovande ny sensor baserad på små supraledande ledningar. Teamets prototyp visar redan potentialen i detta tillvägagångssätt.

Principen bakom den nya enheten är okomplicerad. Kyl vissa metaller under en kritisk temperatur och de leder utan motstånd. Men så snart deras temperatur stiger över denna tröskel försvinner det supraledande beteendet.

Fysiker vet att mörk materia partiklar inte kan interagera starkt med synlig materia; annars hade de redan sett dem. Men partiklar av mörk materia kan frontalkrocka med vanliga partiklar.

Dessa kollisioner är sällsynta eftersom vanlig materia mestadels är tomt utrymme, så mörk materia partiklar kan passera rakt igenom. Men när de till exempel kolliderar med en atomkärna eller elektron i ett gitter, orsakar kollisionen att gittret vibrerar och därmed höjer dess temperatur.

Det är denna temperaturstegring som supraledande nanotrådar är bra på att avslöja. Uppvärmningen gör att en liten del av tråden slutar supraledande, vilket i sin tur skapar en spänningspuls som är lätt att mäta. Dessutom producerar en sådan enhet få, om några, falska positiva resultat.

Hochberg och co har tagit fram sin idé genom att bygga en prototyp. Den här enheten består av en uppsättning av nanotrådar av volframsilicid som är bara 140 nanometer breda (ett människohår är cirka 100 000 nanometer brett) och 400 mikrometer långt. Hela apparaten ligger bara några milligrader över den absoluta nollpunkten, så att volframsilicidtrådarna blir supraledare.

Teamet letade sedan efter spänningspulserna som kan avslöja en kollision med mörk materia. Med lämplig avskärmning på plats hittade de inga pulser under de 10 000 sekunders varaktighet av deras mätningar.

Det sätter viktiga begränsningar för vilken typ av mörk materia som kan finnas och dess täthet. Det sätter också begränsningar för andra typer av partiklar som fysiker spekulerar kan existera.

En av dessa är den mörka fotonen - i huvudsak den mörka materiens motsvarighet till den vanliga fotonen. Om de finns, har den nya sensorn inte upptäckt en enda. Resultaten från den här enheten sätter redan meningsfulla gränser för interaktioner mellan mörk materia och elektroner, inklusive de starkaste terrestra gränserna för sub-eV mörk fotonabsorption hittills, säger Hochberg och co.

Det är imponerande arbete, med tanke på att massan av nanotrådarna bara är några få nanogram. Nästa steg är att tillverka dem i större skala. Hochberg och co säger att tekniken är relativt mogen, så detta borde vara möjligt på kort tidsskala. Faktum är att de uppskattar att ett akademiskt labb skulle kunna ta fram tusen 200-nanometerdetektorer med en total massa på 1,3 gram på bara ett år. En industriell satsning skulle kunna realisera många gånger så många, påpekar de.

Så en detektor i kilogram skala kan vara genomförbar inom en inte alltför avlägsen framtid. En sådan maskin skulle konkurrera med de som redan är i drift i sökandet efter mörk materia, men den skulle se på olika energier på ett annat sätt.

Så det kan hända att supraledande nanotrådar en dag kommer att upptäcka mörk materia – om den överhuvudtaget existerar.

Ref: arxiv.org/abs/1903.05101 : Upptäck mörk materia med supraledande nanotrådar

Dölj