เกือบหนึ่งศตวรรษหลังจากที่สสารมืดถูกเสนอครั้งแรกเพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของกระจุกกาแลคซีนักฟิสิกส์ยังไม่รู้ว่ามันทำมาจากอะไร
นักวิจัยทั่วโลกได้สร้างเครื่องตรวจจับหลายสิบเครื่องเพื่อหวังว่าจะค้นพบสสารมืด ในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาฉันได้ช่วยออกแบบและใช้งานเครื่องตรวจจับเหล่านี้ชื่อHAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM) แต่แม้จะมีความพยายามในการทดลองมานานหลายทศวรรษ แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่สามารถระบุอนุภาคของสสารมืดได้
ตอนนี้การค้นหาสสารมืดได้รับความช่วยเหลือจากเทคโนโลยีที่ใช้ในการวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัม ในบทความใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เพื่อนร่วมงานของฉันในทีม HAYSTAC และฉันอธิบายวิธีที่เราใช้กลอุบายควอนตัมเล็กน้อยเพื่อเพิ่มอัตราที่เครื่องตรวจจับของเราสามารถค้นหาสสารมืดได้เป็นสองเท่า ผลลัพธ์ของเราเพิ่มความเร็วที่จำเป็นอย่างมากในการตามล่าหาอนุภาคลึกลับนี้
การสแกนหาสัญญาณสสารมืด
มีหลักฐานที่น่าสนใจจากฟิสิกส์ดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาว่าสสารที่ไม่รู้จักที่เรียกว่าสสารมืดประกอบด้วยสสารมากกว่า 80 เปอร์เซ็นต์ในจักรวาล นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้เสนออนุภาคพื้นฐานใหม่หลายสิบอนุภาค ที่สามารถอธิบายสสารมืดได้ แต่ในการพิจารณาว่าทฤษฎีใดถูกต้องนักวิจัยจำเป็นต้องสร้างเครื่องตรวจจับที่แตกต่างกันเพื่อทดสอบแต่ละทฤษฎี
ทฤษฎีที่โดดเด่นข้อหนึ่งเสนอว่าสสารมืดนั้นสร้างขึ้นจากอนุภาคที่ยังเป็นสมมุติฐานที่เรียกว่าแกนซึ่งรวมตัวกันทำงานเหมือนคลื่นที่มองไม่เห็นซึ่งสั่นด้วยความถี่ที่เฉพาะเจาะจงมากผ่านจักรวาลเครื่องตรวจจับแกน - รวมถึง HAYSTAC - ทำงานบางอย่างเช่นเครื่องรับวิทยุ แต่แทนที่จะแปลงคลื่นวิทยุเป็นคลื่นเสียงพวกเขาตั้งเป้าที่จะแปลงคลื่นแกนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเฉพาะการตรวจจับ Axion วัดปริมาณสองเรียกว่า quadratures สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากำลังสองเหล่านี้เป็นสองประเภทของการสั่นที่แตกต่างกันในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะเกิดขึ้นหากมีแกน
ความท้าทายหลักในการค้นหาแกนคือไม่มีใครรู้ความถี่ของคลื่นแกนสมมุติ ลองนึกภาพว่าคุณอยู่ในเมืองที่ไม่คุ้นเคยค้นหาสถานีวิทยุแห่งใดแห่งหนึ่งโดยใช้คลื่นความถี่ FM ทีละความถี่ นักล่า Axion ทำสิ่งเดียวกันมาก: พวกเขาปรับแต่งเครื่องตรวจจับของพวกเขาในช่วงความถี่ที่หลากหลายในขั้นตอนที่ไม่ต่อเนื่อง แต่ละขั้นตอนสามารถครอบคลุมช่วงความถี่แกนที่เป็นไปได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ช่วงเล็ก ๆ นี้คือแบนด์วิดท์ของเครื่องตรวจจับ
โดยทั่วไปแล้วการปรับวิทยุจะต้องหยุดชั่วคราวสักสองสามวินาทีในแต่ละขั้นตอนเพื่อดูว่าคุณพบสถานีที่ต้องการหรือไม่ จะยากกว่าถ้าสัญญาณอ่อนและมีไฟฟ้าสถิตมาก สัญญาณตามแนวแกนแม้กระทั่งในเครื่องตรวจจับที่มีความอ่อนไหวที่สุดก็จะจางลงเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับไฟฟ้าสถิตจากความผันผวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบสุ่มซึ่งนักฟิสิกส์เรียกว่าเสียงรบกวน ยิ่งมีเสียงรบกวนมากเท่าใดเครื่องตรวจจับจะต้องนั่งนานขึ้นในแต่ละขั้นตอนการปรับแต่งเพื่อฟังสัญญาณแกน
น่าเสียดายที่นักวิจัยไม่สามารถนับการรับสัญญาณ axion ได้หลังจากหมุนหน้าปัดวิทยุไปไม่กี่โหล เพลงวิทยุ FM เพียง 88 ถึง 108 เมกะเฮิรตซ์ (1 เมกะเฮิรตซ์คือ 1 ล้านเฮิรตซ์) ในทางตรงกันข้ามความถี่ของแกนอาจอยู่ระหว่าง 300 เฮิรตซ์ถึง 300 พันล้านเฮิรตซ์ อัตราที่กำหนดในวันนี้ตรวจจับจะไปหา Axion หรือพิสูจน์ได้ว่ามันไม่ได้อยู่อาจจะใช้เวลามากกว่า 10,000 ปี
บีบเสียงควอนตัม
ในทีม HAYSTAC เราไม่มีความอดทนขนาดนั้น ดังนั้นในปี 2555 เราจึงเริ่มเร่งการค้นหาแกนโดยทำทุกวิถีทางเพื่อลดเสียงรบกวน แต่โดยปี 2017 เราพบว่าตัวเองวิ่งขึ้นกับขีด จำกัด สัญญาณรบกวนต่ำสุดพื้นฐานเพราะกฎหมายของฟิสิกส์ควอนตัมที่รู้จักกันในหลักการความไม่แน่นอน
หลักการความไม่แน่นอนระบุว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะทราบค่าที่แน่นอนของปริมาณทางกายภาพบางอย่างพร้อมกันตัวอย่างเช่นคุณไม่สามารถรู้ทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคในเวลาเดียวกันได้ โปรดจำไว้ว่าเครื่องตรวจจับแกนค้นหาแกนโดยการวัดกำลังสองสองรูปแบบซึ่งเป็นความผันผวนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจง หลักการความไม่แน่นอนห้ามความรู้ที่แม่นยำของกำลังสองทั้งสองโดยการเพิ่มจำนวนเสียงขั้นต่ำให้กับการสั่นของกำลังสอง
ในเครื่องตรวจจับแกนแบบเดิมเสียงควอนตัมจากหลักการความไม่แน่นอนจะบดบังกำลังสองเท่ากัน ไม่สามารถกำจัดเสียงรบกวนนี้ได้ แต่ด้วยเครื่องมือที่เหมาะสมจะสามารถควบคุมได้ ทีมของเราหาวิธีสับเปลี่ยนเสียงรอบควอนตัมในเครื่องตรวจจับ HAYSTAC ซึ่งจะลดผลกระทบต่อพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสหนึ่งตัวในขณะที่เพิ่มผลกระทบกับอีกเสียงหนึ่ง เทคนิคการจัดการเสียงนี้จะเรียกว่าบีบควอนตัม
ด้วยความพยายามที่นำโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาKelly BackesและDan Palkenทีมงาน HAYSTAC ได้เผชิญกับความท้าทายในการใช้การบีบในเครื่องตรวจจับของเราโดยใช้เทคโนโลยีวงจรตัวนำยิ่งยวดที่ยืมมาจากการวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานทั่วไปยังคงอยู่ห่างไกลแต่เอกสารใหม่ของเราแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการบีบนี้สามารถเร่งการค้นหาสสารมืดได้ในทันที
แบนด์วิดท์ที่ใหญ่ขึ้นค้นหาได้เร็วขึ้น
ทีมของเราประสบความสำเร็จในการบีบเสียงในเครื่องตรวจจับ HAYSTAC แต่เราใช้สิ่งนี้เพื่อเร่งการค้นหาแกนได้อย่างไร
การบีบควอนตัมไม่ได้ลดเสียงรบกวนอย่างสม่ำเสมอในแบนด์วิดท์ของเครื่องตรวจจับแกน แต่มันมีผลกระทบที่ใหญ่ที่สุดที่ขอบ ลองนึกภาพว่าคุณปรับวิทยุเป็น 88.3 เมกะเฮิรตซ์ แต่จริงๆแล้วสถานีที่คุณต้องการอยู่ที่ 88.1 ด้วยการบีบควอนตัมคุณจะสามารถได้ยินเพลงโปรดของคุณที่เล่นอยู่ห่างออกไปหนึ่งสถานี
ในโลกของวิทยุกระจายเสียงนี่จะเป็นสูตรสำหรับหายนะเพราะสถานีต่าง ๆ จะรบกวนกันและกัน แต่ด้วยสัญญาณสสารมืดเพียงสัญญาณเดียวที่ต้องค้นหาแบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้นทำให้นักฟิสิกส์สามารถค้นหาได้เร็วขึ้นโดยครอบคลุมความถี่มากขึ้นในคราวเดียว ในผลลัพธ์ล่าสุดของเราเราใช้การบีบเพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์ของ HAYSTACเป็นสองเท่าทำให้เราค้นหาแกนได้เร็วขึ้นเป็นสองเท่า
การบีบควอนตัมเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะสแกนผ่านทุกความถี่ของแกนที่เป็นไปได้ในเวลาที่เหมาะสม แต่การเพิ่มอัตราการสแกนเป็นสองเท่าถือเป็นก้าวสำคัญในทิศทางที่ถูกต้องและเราเชื่อว่าการปรับปรุงเพิ่มเติมในระบบบีบควอนตัมของเราอาจช่วยให้เราสแกนได้เร็วขึ้น 10 เท่า
ไม่มีใครรู้ว่าแกนมีอยู่จริงหรือไม่ว่าพวกมันจะไขปริศนาของสสารมืดได้หรือไม่ แต่ด้วยการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมที่ไม่คาดคิดนี้เราใกล้จะตอบคำถามเหล่านี้แล้ว
Benjamin Brubakerเป็นเพื่อนดุษฎีบัณฑิตสาขาฟิสิกส์ควอนตัมที่มหาวิทยาลัยโคโลราโดโบลเดอร์
บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจากThe Conversationภายใต้สัญญาอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ คุณสามารถค้นหาบทความต้นฉบับที่นี่
