Prawie sto lat po tym, jak po raz pierwszy zaproponowano ciemną materię w celu wyjaśnienia ruchu gromad galaktyk, fizycy nadal nie mają pojęcia, z czego jest zrobiona.
Naukowcy na całym świecie zbudowali dziesiątki detektorów w nadziei na odkrycie ciemnej materii. Jako absolwent pomogłem zaprojektować i obsługiwać jeden z tych detektorów, trafnie nazwany HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Jednak pomimo dziesięcioleci eksperymentów naukowcy nie zidentyfikowali jeszcze cząstki ciemnej materii.
Obecnie poszukiwania ciemnej materii otrzymały mało prawdopodobną pomoc dzięki technologii stosowanej w badaniach nad komputerami kwantowymi. W nowym artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature wraz z moimi kolegami z zespołu HAYSTAC opisujemy, jak wykorzystaliśmy odrobinę kwantowej sztuczki, aby podwoić szybkość, z jaką nasz detektor może szukać ciemnej materii. Nasz wynik dodaje bardzo potrzebne przyspieszenie w poszukiwaniu tej tajemniczej cząsteczki.
Skanowanie w poszukiwaniu sygnału ciemnej materii
Istnieją przekonujące dowody z astrofizyki i kosmologii, że nieznana substancja zwana ciemną materią stanowi ponad 80 procent materii we wszechświecie. Fizycy teoretyczni zaproponowali dziesiątki nowych podstawowych cząstek, które mogłyby wyjaśnić ciemną materię. Aby jednak ustalić, która - jeśli w ogóle - z tych teorii jest poprawna, naukowcy muszą zbudować różne detektory, aby przetestować każdy z nich.
Jedna z czołowych teorii głosi, że ciemna materia jest zbudowana z jak dotąd hipotetycznych cząstek zwanych aksionami, które zbiorowo zachowują się jak niewidzialna fala oscylująca z bardzo określoną częstotliwością w kosmosie. Detektory aksionowe - w tym HAYSTAC - działają podobnie jak odbiorniki radiowe, ale zamiast przekształcać fale radiowe w fale dźwiękowe, ich celem jest przekształcenie fal aksionowych w fale elektromagnetyczne. W szczególności detektory aksionowe mierzą dwie wielkości zwane kwadraturami pola elektromagnetycznego . Te kwadratury to dwa różne rodzaje oscylacji fali elektromagnetycznej, które powstałyby, gdyby istniały aksjony.
Głównym wyzwaniem w poszukiwaniu aksionów jest to, że nikt nie zna częstotliwości hipotetycznej fali aksjonowej. Wyobraź sobie, że jesteś w nieznanym mieście i szukasz określonej stacji radiowej, poruszając się po jednej częstotliwości w paśmie FM. Łowcy aksionów robią to samo: dostrajają swoje detektory w szerokim zakresie częstotliwości w dyskretnych krokach. Każdy krok może obejmować tylko bardzo mały zakres możliwych częstotliwości aksionowych. Ten mały zakres to szerokość pasma detektora.
Strojenie radia zwykle wymaga kilkusekundowej przerwy na każdym kroku, aby sprawdzić, czy znalazłeś stację, której szukasz. Jest to trudniejsze, jeśli sygnał jest słaby i jest dużo zakłóceń. Sygnał aksjonu - nawet w najbardziej czułych detektorach - byłby niezwykle słaby w porównaniu z zakłóceniami statycznymi wynikającymi z przypadkowych fluktuacji elektromagnetycznych, które fizycy nazywają szumem. Im więcej szumów, tym dłużej detektor musi siedzieć na każdym kroku strojenia, aby nasłuchiwać sygnału aksjonu.
Niestety badacze nie mogą liczyć na to, że po kilkudziesięciu obrotach tarczy radiowej wychwycą transmisję z aksjonu. Radio FM dostraja tylko od 88 do 108 megaherców (1 megaherc to 1 milion Hz). Natomiast częstotliwość aksionu może wynosić od 300 Hz do 300 miliardów Hz. W tempie , w jakim pracują dzisiejsze detektory , znalezienie aksionu lub udowodnienie, że on nie istnieje, może zająć ponad 10 000 lat .
Wyciskanie kwantowego szumu
W zespole HAYSTAC nie mamy takiej cierpliwości. Dlatego w 2012 roku postanowiliśmy przyspieszyć poszukiwania aksionów, robiąc wszystko, co możliwe, aby zmniejszyć hałas. Ale do 2017 roku znaleźliśmy się w sprzeczności z podstawowym minimalnym limitem hałasu z powodu prawa fizyki kwantowej znanego jako zasada nieoznaczoności .
Zasada nieoznaczoności mówi, że niemożliwe jest jednoczesne poznanie dokładnych wartości pewnych wielkości fizycznych - na przykład nie można jednocześnie znać położenia i pędu cząstki. Przypomnijmy, że detektory aksionów szukają aksjonu, mierząc dwie kwadratury - te specyficzne rodzaje oscylacji pola elektromagnetycznego. Zasada nieoznaczoności zabrania dokładnej znajomości obu kwadratur poprzez dodanie minimalnej ilości szumu do oscylacji kwadraturowych.
W konwencjonalnych detektorach aksjonów szum kwantowy z zasady nieoznaczoności przesłania jednakowo obie kwadratury. Tego hałasu nie da się wyeliminować, ale można go kontrolować za pomocą odpowiednich narzędzi. Nasz zespół opracował sposób na przetasowanie wokół szumu kwantowego w detektorze HAYSTAC, zmniejszając jego wpływ na jedną kwadraturę, jednocześnie zwiększając jego wpływ na drugą. Ta technika manipulacji szumem nazywana jest wyciskaniem kwantowym .
W ramach starań prowadzonych przez absolwentów Kelly Backes i Dana Palkena , zespół HAYSTAC podjął wyzwanie wdrożenia ściskania w naszym detektorze, wykorzystując technologię obwodów nadprzewodzących zapożyczoną z badań nad obliczeniami kwantowymi. Komputery kwantowe ogólnego przeznaczenia pozostają bardzo daleko , ale nasz nowy artykuł pokazuje, że ta technologia ściskania może natychmiast przyspieszyć poszukiwania ciemnej materii.
Większa przepustowość, szybsze wyszukiwanie
Naszemu zespołowi udało się wyciszyć szum w detektorze HAYSTAC. Ale jak wykorzystaliśmy to, aby przyspieszyć wyszukiwanie aksionów?
Wyciskanie kwantowe nie zmniejsza równomiernie szumu w całym paśmie detektora aksionowego. Zamiast tego ma największy efekt na krawędziach . Wyobraź sobie, że nastawiasz radio na 88,3 MHz, ale żądana stacja ma w rzeczywistości 88,1. Dzięki wyciskaniu kwantowemu możesz usłyszeć swoją ulubioną piosenkę odtwarzaną jedną stację dalej.
W świecie radiofonii byłby to przepis na katastrofę, ponieważ różne stacje zakłócałyby się nawzajem. Ale przy tylko jednym sygnale ciemnej materii do wyszukania, szersze pasmo umożliwia fizykom szybsze wyszukiwanie, obejmując jednocześnie więcej częstotliwości. W naszym najnowszym wyniku wykorzystaliśmy ściskanie, aby podwoić przepustowość HAYSTAC , co pozwoliło nam wyszukiwać aksjony dwa razy szybciej niż wcześniej.
Samo wyciskanie kwantowe nie wystarcza do przeszukania każdej możliwej częstotliwości aksionów w rozsądnym czasie. Jednak podwojenie szybkości skanowania to duży krok we właściwym kierunku i uważamy, że dalsze ulepszenia naszego systemu wyciskania kwantowego mogą umożliwić nam skanowanie 10 razy szybciej.
Nikt nie wie, czy aksjony istnieją, ani czy rozwiążą tajemnicę ciemnej materii; ale dzięki temu nieoczekiwanemu zastosowaniu technologii kwantowej jesteśmy o krok bliżej odpowiedzi na te pytania.
Benjamin Brubaker jest adiunktem z zakresu fizyki kwantowej na University of Colorado Boulder.
Ten artykuł został opublikowany ponownie z The Conversation na licencji Creative Commons. Możesz znaleźć oryginalny artykuł tutaj .
