Supergeleidende nanodraden kunnen worden gebruikt om donkere materie te detecteren

Een van de grote wetenschappelijke zoektochten van onze tijd is de jacht op donkere materie. Natuurkundigen geloven dat dit spul het heelal vult en denken dat ze er bewijs van kunnen zien in de manier waarop sterrenstelsels draaien. Melkwegstelsels draaien zelfs zo snel dat ze uit elkaar zouden moeten vliegen, tenzij een verborgen massa voldoende zwaartekracht genereert om ze bij elkaar te houden.

Dat bewijs heeft natuurkundigen ertoe aangezet om donkere materie op aarde te vinden. Ze hebben tientallen observatoria gebouwd, de meeste in ondergrondse grotten diep onder het oppervlak, waar het achtergrondgeluid laag is. Op het spel staat wetenschappelijke roem en fortuin, waarbij de groep die donkere materie vindt waarschijnlijk rijkelijk wordt beloond.

Maar tot nu toe hebben natuurkundigen precies niets gevonden. Als het daarbuiten is, is donkere materie heel goed verborgen. Of natuurkundigen hebben op de verkeerde plaats gezocht. Een mogelijkheid is dat donkere materiedeeltjes te klein zijn om met huidige experimenten te kunnen zien. Dus natuurkundigen willen wanhopig betere, gevoeligere manieren om deze dingen te detecteren.

Betreed Yonit Hochberg van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in Israël en een paar collega's, die een veelbelovende nieuwe sensor hebben ontwikkeld op basis van kleine supergeleidende draden. Het prototype van het team toont al het potentieel van deze aanpak.

Het principe achter het nieuwe apparaat is eenvoudig. Koel bepaalde metalen af ​​onder een kritische temperatuur en ze geleiden zonder weerstand. Maar zodra hun temperatuur boven deze drempel komt, verdwijnt het supergeleidende gedrag.

Natuurkundigen weten dat donkere materiedeeltjes niet sterk kunnen interageren met zichtbare materie; anders hadden ze ze al gezien. Maar donkere materiedeeltjes kunnen frontaal in botsing komen met gewone deeltjes.

Deze botsingen zijn zeldzaam omdat gewone materie meestal lege ruimte is, dus donkere materiedeeltjes kunnen er recht doorheen gaan. Maar als ze bijvoorbeeld botsen met een atoomkern of elektron in een rooster, zorgt de botsing ervoor dat het rooster gaat trillen, waardoor de temperatuur stijgt.

Het is deze temperatuurstijging die supergeleidende nanodraden goed kunnen onthullen. Door de verwarming stopt een klein deel van de draad met supergeleidend, wat op zijn beurt een gemakkelijk meetbare spanningspuls creëert. Bovendien produceert zo'n apparaat weinig of geen valse positieven.

Hochberg en co hebben hun idee op de proef gesteld door een prototype te bouwen. Dit apparaat bestaat uit een set wolfraamsilicide-nanodraden van slechts 140 nanometer breed (een mensenhaar is ongeveer 100.000 nanometer breed) en 400 micrometer lang. Het hele apparaat zit slechts een paar milligraden boven het absolute nulpunt, zodat de wolfraamsilicidedraden supergeleiders worden.

Het team zocht vervolgens naar de spanningspulsen die een botsing van donkere materie zouden kunnen onthullen. Met de juiste afscherming op hun plaats vonden ze geen pulsen tijdens de 10.000 seconden durende duur van hun metingen.

Dat legt belangrijke beperkingen op aan het type donkere materie dat aanwezig zou kunnen zijn en de dichtheid ervan. Het legt ook beperkingen op aan andere soorten deeltjes waarvan natuurkundigen speculeren dat ze zouden kunnen bestaan.

Een daarvan is het donkere foton - in wezen het donkere materie-equivalent van het gewone foton. Als ze bestaan, heeft de nieuwe sensor er geen enkele gedetecteerd. De resultaten van dit apparaat plaatsen al betekenisvolle grenzen aan donkere materie-elektron-interacties, inclusief de sterkste terrestrische grenzen aan sub-eV donkere fotonabsorptie tot nu toe, zeggen Hochberg en co.

Dat is indrukwekkend werk, aangezien de massa van de nanodraden slechts enkele nanogrammen is. De volgende stap is om ze op grotere schaal te fabriceren. Hochberg en co zeggen dat de technologie relatief volwassen is, dus dit moet op korte termijn mogelijk zijn. Ze schatten dat een academisch laboratorium in slechts een jaar tijd duizend detectoren van 200 nanometer met een totale massa van 1,3 gram zou kunnen produceren. Een industriële inspanning zou vele malen dat aantal kunnen realiseren, wijzen ze erop.

Dus een detector op kilogramschaal zou in de niet al te verre toekomst haalbaar kunnen zijn. Zo'n machine zou kunnen wedijveren met degenen die al in bedrijf zijn in de zoektocht naar donkere materie, maar het zou op een andere manier naar verschillende energieën kijken.

Het kan dus zijn dat op een dag supergeleidende nanodraden donkere materie zullen ontdekken - als die al bestaat.

Referentie: arxiv.org/abs/1903.05101 : Donkere materie detecteren met supergeleidende nanodraden

zich verstoppen