Fast ein Jahrhundert, nachdem die Dunkle Materie erstmals vorgeschlagen wurde, um die Bewegung von Galaxienhaufen zu erklären, haben Physiker immer noch keine Ahnung, woraus sie besteht.
Forscher auf der ganzen Welt haben Dutzende von Detektoren gebaut, um dunkle Materie zu entdecken. Als Doktorand half ich beim Entwurf und Betrieb eines dieser Detektoren mit dem treffenden Namen HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Trotz jahrzehntelanger experimenteller Bemühungen müssen Wissenschaftler das Teilchen der Dunklen Materie noch identifizieren.
Jetzt hat die Suche nach dunkler Materie eine unwahrscheinliche Unterstützung durch die in der Quantencomputerforschung verwendete Technologie erhalten. In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, beschreiben meine Kollegen im HAYSTAC-Team und ich, wie wir mit ein wenig Quantentrick die Geschwindigkeit verdoppelt haben, mit der unser Detektor nach dunkler Materie suchen kann. Unser Ergebnis fügt der Suche nach diesem mysteriösen Partikel einen dringend benötigten Geschwindigkeitsschub hinzu.
Scannen nach einem Signal der Dunklen Materie
Es gibt überzeugende Beweise aus der Astrophysik und Kosmologie, dass eine unbekannte Substanz namens Dunkle Materie mehr als 80 Prozent der Materie im Universum ausmacht. Theoretische Physiker haben Dutzende neuer grundlegender Teilchen vorgeschlagen , die die Dunkle Materie erklären könnten. Um jedoch festzustellen, welche dieser Theorien - wenn überhaupt - richtig ist, müssen Forscher verschiedene Detektoren bauen, um jede einzelne zu testen.
Eine prominente Theorie besagt, dass dunkle Materie aus noch hypothetischen Teilchen besteht, die als Axionen bezeichnet werden und sich gemeinsam wie eine unsichtbare Welle verhalten, die mit einer ganz bestimmten Frequenz durch den Kosmos schwingt. Axion-Detektoren - einschließlich HAYSTAC - funktionieren ähnlich wie Funkempfänger, aber anstatt Funkwellen in Schallwellen umzuwandeln, zielen sie darauf ab, Axionwellen in elektromagnetische Wellen umzuwandeln. Insbesondere messen Axiondetektoren zwei Größen, die als Quadraturen des elektromagnetischen Feldes bezeichnet werden . Diese Quadraturen sind zwei verschiedene Arten von Schwingungen in der elektromagnetischen Welle, die erzeugt würden, wenn Axionen existieren.
Die größte Herausforderung bei der Suche nach Axionen besteht darin, dass niemand die Frequenz der hypothetischen Axionwelle kennt. Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einer unbekannten Stadt und suchen nach einem bestimmten Radiosender, indem Sie sich Frequenz für Frequenz durch das FM-Band arbeiten. Axion-Jäger machen fast dasselbe: Sie stimmen ihre Detektoren in diskreten Schritten über einen weiten Frequenzbereich ab. Jeder Schritt kann nur einen sehr kleinen Bereich möglicher Axionfrequenzen abdecken. Dieser kleine Bereich ist die Bandbreite des Detektors.
Das Einstellen eines Radios umfasst normalerweise eine Pause von einigen Sekunden bei jedem Schritt, um festzustellen, ob Sie den gesuchten Sender gefunden haben. Das ist schwieriger, wenn das Signal schwach ist und viel statische Aufladung vorliegt. Ein Axionssignal - selbst in den empfindlichsten Detektoren - wäre im Vergleich zu statischen durch zufällige elektromagnetische Schwankungen, die Physiker als Rauschen bezeichnen, außerordentlich schwach. Je mehr Rauschen vorhanden ist, desto länger muss der Detektor bei jedem Abstimmschritt sitzen, um auf ein Axion-Signal zu warten.
Leider können Forscher nicht damit rechnen, die Axion-Sendung nach ein paar Dutzend Umdrehungen des Radiowählrads aufzunehmen. Ein UKW-Radio stellt nur 88 bis 108 Megahertz ein (1 Megahertz entspricht 1 Million Hertz). Im Gegensatz dazu kann die Axionfrequenz irgendwo zwischen 300 Hertz und 300 Milliarden Hertz liegen. Bei der Geschwindigkeit, mit der die heutigen Detektoren arbeiten, könnte es mehr als 10.000 Jahre dauern, das Axion zu finden oder zu beweisen, dass es nicht existiert .
Quantenrauschen zusammendrücken
Im HAYSTAC-Team haben wir nicht so viel Geduld. Deshalb haben wir uns 2012 vorgenommen, die Axionsuche zu beschleunigen, indem wir alles tun, um das Rauschen zu reduzieren. Bis 2017 stießen wir jedoch aufgrund eines quantenphysikalischen Gesetzes, das als Unsicherheitsprinzip bekannt ist , auf eine grundlegende Mindestrauschgrenze .
Das Unsicherheitsprinzip besagt, dass es unmöglich ist, die genauen Werte bestimmter physikalischer Größen gleichzeitig zu kennen - zum Beispiel können Sie nicht gleichzeitig die Position und den Impuls eines Teilchens kennen. Denken Sie daran, dass Axiondetektoren nach dem Axion suchen, indem sie zwei Quadraturen messen - diese spezifischen Arten von elektromagnetischen Feldschwingungen. Das Unsicherheitsprinzip verbietet die genaue Kenntnis beider Quadraturen, indem den Quadraturschwingungen ein Minimum an Rauschen hinzugefügt wird.
Bei herkömmlichen Axiondetektoren verdeckt das Quantenrauschen aus dem Unsicherheitsprinzip beide Quadraturen gleichermaßen. Dieses Geräusch kann nicht beseitigt werden, aber mit den richtigen Werkzeugen kann es kontrolliert werden. Unser Team hat einen Weg gefunden, um das Quantenrauschen im HAYSTAC-Detektor zu umgehen, indem es die Wirkung auf eine Quadratur verringert und die Wirkung auf die andere erhöht. Diese Rauschmanipulationstechnik wird als Quantenquetschen bezeichnet .
Unter der Leitung der Doktoranden Kelly Backes und Dan Palken nahm das HAYSTAC-Team die Herausforderung an, das Quetschen in unserem Detektor mithilfe der aus der Quantencomputerforschung entlehnten supraleitenden Schaltungstechnologie zu implementieren. Allzweck-Quantencomputer sind noch weit entfernt , aber unser neues Papier zeigt, dass diese Quetschtechnologie die Suche nach dunkler Materie sofort beschleunigen kann.
Größere Bandbreite, schnellere Suche
Unserem Team ist es gelungen, das Rauschen im HAYSTAC-Detektor zu unterdrücken. Aber wie haben wir das genutzt, um die Axionsuche zu beschleunigen?
Quantenquetschen reduziert das Rauschen nicht gleichmäßig über die Bandbreite des Axion-Detektors. Stattdessen hat es den größten Effekt an den Rändern . Stellen Sie sich vor, Sie stellen Ihr Radio auf 88,3 Megahertz ein, aber der gewünschte Sender liegt tatsächlich bei 88,1. Mit Quantenquetschen können Sie Ihren Lieblingssong eine Station entfernt spielen hören.
In der Welt des Rundfunks wäre dies ein Rezept für eine Katastrophe, da sich verschiedene Sender gegenseitig stören würden. Da jedoch nur ein einziges Signal für dunkle Materie zu suchen ist, können Physiker dank einer größeren Bandbreite schneller suchen, indem sie mehr Frequenzen gleichzeitig abdecken. In unserem neuesten Ergebnis haben wir die Bandbreite von HAYSTAC durch Drücken verdoppelt , sodass wir doppelt so schnell wie zuvor nach Axionen suchen konnten.
Quantenquetschen allein reicht nicht aus, um jede mögliche Axionsfrequenz in angemessener Zeit abzutasten. Die Verdoppelung der Scanrate ist jedoch ein großer Schritt in die richtige Richtung, und wir glauben, dass weitere Verbesserungen an unserem Quantenquetschsystem es uns ermöglichen könnten, zehnmal schneller zu scannen.
Niemand weiß, ob Axionen existieren oder ob sie das Geheimnis der dunklen Materie lösen werden; Dank dieser unerwarteten Anwendung der Quantentechnologie sind wir der Beantwortung dieser Fragen einen Schritt näher gekommen.
Benjamin Brubaker ist Postdoktorand für Quantenphysik an der University of Colorado Boulder.
Dieser Artikel wird von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Den Originalartikel finden Sie hier .
