Tumšās vielas noteikšanai varētu izmantot supravadošus nanovadus

Viens no mūsu laika lielākajiem zinātniskajiem meklējumiem ir tumšās vielas medības. Fiziķi uzskata, ka šis materiāls piepilda Visumu un domā, ka galaktiku rotēšanā var redzēt pierādījumus par to. Patiešām, galaktikas griežas tik ātri, ka tām vajadzētu izlidot, ja vien kāda slēpta masa nerada pietiekami daudz gravitācijas spēka, lai tās noturētu kopā.

Šie pierādījumi ir likuši fiziķiem meklēt tumšo vielu uz Zemes. Viņi ir uzbūvējuši desmitiem observatoriju, lielākā daļa no tām atrodas pazemes alās dziļi zem virsmas, kur fona troksnis ir zems. Uz spēles ir likta zinātniskā slava un bagātība, un grupa, kas atklāj tumšo vielu, visticamāk, saņems bagātīgu atlīdzību.

Bet līdz šim fiziķi precīzi neko nav atraduši. Ja tā atrodas ārpusē, tumšā viela ir ļoti labi paslēpta. Vai arī fiziķi ir meklējuši nepareizā vietā. Viena iespēja ir tāda, ka tumšās vielas daļiņas ir pārāk mazas, lai tās varētu redzēt pašreizējos eksperimentos. Tāpēc fiziķi izmisīgi vēlas labākus, jutīgākus veidus, kā atklāt šīs lietas.

Ienāciet Yonit Hochberg no Jeruzalemes Ebreju universitātes Izraēlā un daži kolēģi, kuri ir izstrādājuši daudzsološu jaunu sensoru, kura pamatā ir mazi supravadošie vadi. Komandas prototips jau parāda šīs pieejas potenciālu.

Jaunās ierīces princips ir vienkāršs. Atdzesējiet noteiktus metālus zem kritiskās temperatūras, un tie vada bez pretestības. Bet, tiklīdz to temperatūra paaugstinās virs šī sliekšņa, supravadītāja uzvedība pazūd.

Fiziķi zina, ka tumšās vielas daļiņas nevar spēcīgi mijiedarboties ar redzamo vielu; pretējā gadījumā viņi tos jau būtu redzējuši. Bet tumšās vielas daļiņas var tieši sadurties ar parastajām daļiņām.

Šīs sadursmes ir retas, jo parastā viela lielākoties ir tukša telpa, tāpēc tumšās vielas daļiņas var iziet cauri. Bet, piemēram, kad tie saduras ar atoma kodolu vai elektronu režģī, sadursme izraisa režģa vibrāciju, tādējādi paaugstinot tā temperatūru.

Tieši šo temperatūras paaugstināšanos supravadošie nanovadi labi atklāj. Sildīšanas rezultātā neliela stieples daļa pārtrauc supravadītspēju, un tas savukārt rada sprieguma impulsu, ko ir viegli izmērīt. Turklāt šāda ierīce rada dažus viltus pozitīvus rezultātus, ja tādi ir.

Hohbergs un citi ir īstenojuši savu ideju, izveidojot prototipu. Šī ierīce sastāv no volframa silicīda nanovadu komplekta, kas ir tikai 140 nanometrus plats (cilvēka mati ir aptuveni 100 000 nanometrus plats) un 400 mikrometrus garš. Viss aparāts atrodas tikai dažus miligrādus virs absolūtās nulles, tā ka volframa silicīda stieples kļūst par supravadītājiem.

Pēc tam komanda meklēja sprieguma impulsus, kas varētu atklāt tumšās vielas sadursmi. Izmantojot atbilstošu ekranējumu, viņi 10 000 sekunžu mērījumu laikā neatrada impulsus.

Tas rada svarīgus ierobežojumus tumšās vielas veidam, kas varētu būt klāt, un tās blīvumu. Tas arī rada ierobežojumus cita veida daļiņām, par kurām fiziķi uzskata, ka varētu pastāvēt.

Viens no tiem ir tumšais fotons — būtībā parastā fotona tumšās vielas ekvivalents. Ja tie pastāv, tad jaunais sensors nekonstatēja nevienu. Šīs ierīces rezultāti jau nosaka nozīmīgas robežas tumšās vielas un elektronu mijiedarbībai, tostarp līdz šim spēcīgākajām sauszemes robežām tumšo fotonu absorbcijai zem EV, saka Hohbergs un citi.

Tas ir iespaidīgs darbs, ņemot vērā, ka nanovadu masa ir tikai daži nanogrami. Nākamais posms ir to izgatavošana plašākā mērogā. Hochberg un co saka, ka tehnoloģija ir salīdzinoši nobriedusi, tāpēc tam vajadzētu būt iespējamam īsā laika posmā. Patiešām, viņi lēš, ka akadēmiskā laboratorija varētu izlaist tūkstoti 200 nanometru detektoru ar kopējo masu 1,3 grami tikai gada laikā. Viņi norāda, ka rūpnieciski centieni varētu sasniegt vairākkārt lielāku skaitu.

Tātad kilogramu mēroga detektors varētu būt realizējams ne pārāk tālā nākotnē. Šāda mašīna konkurētu ar tiem, kas jau darbojas tumšās matērijas meklējumos, taču tā skatītos uz dažādām enerģijām savādāk.

Tāpēc var gadīties, ka kādu dienu supravadošie nanovadi atklās tumšo vielu, ja tāda vispār pastāv.

Atsauce: arxiv.org/abs/1903.05101 : Tumšās vielas noteikšana ar supravadošiem nanovadiem

paslēpties