Søg efter Dark Matter Boosted af Quantum Tech

Næsten et århundrede efter mørkt stof først blev foreslået for at forklare bevægelsen af ​​galaksehobe, fysikere aner stadig ikke, hvad det består af.

Forskere rundt om i verden har bygget snesevis af detektorer i håb om at opdage mørkt stof. Som kandidatstuderende, Jeg hjalp med at designe og betjene en af ​​disse detektorer, passende navn HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Men trods årtiers eksperimentel indsats, forskere mangler endnu at identificere den mørke stofpartikel.

Nu, søgningen efter mørkt stof har modtaget en usandsynlig hjælp fra teknologi, der bruges til kvantecomputingforskning. I et nyt papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Nature, mine kolleger på HAYSTAC -teamet og jeg beskriver, hvordan vi brugte en smule kvantetrickerier til at fordoble den hastighed, hvormed vores detektor kan søge efter mørkt stof. Vores resultat tilføjer et tiltrængt hastighedsboost til jagten på denne mystiske partikel.

Scanner efter et mørkt stofsignal

Der er overbevisende beviser fra astrofysik og kosmologi om, at et ukendt stof kaldet mørkt stof udgør mere end 80 procent af stoffet i universet. Teoretiske fysikere har foreslået snesevis af nye fundamentale partikler, der kan forklare mørkt stof. Men for at afgøre hvilken - hvis nogen - af disse teorier er korrekt, forskere skal bygge forskellige detektorer for at teste hver enkelt.

En fremtrædende teori foreslår, at mørkt stof er fremstillet af endnu hypotetiske partikler kaldet aksioner, der kollektivt opfører sig som en usynlig bølge, der oscillerer ved en meget specifik frekvens gennem kosmos. Axion detektorer - herunder HAYSTAC - fungerer som radiomodtagere, men i stedet for at konvertere radiobølger til lydbølger, de sigter mod at konvertere aksionbølger til elektromagnetiske bølger. Specifikt, aksion detektorer måler to størrelser kaldet elektromagnetiske felt kvadrater. Disse kvadrater er to forskellige slags oscillationer i den elektromagnetiske bølge, der ville blive produceret, hvis der eksisterer aksioner.

Den største udfordring i søgen efter aksioner er, at ingen kender hyppigheden af ​​den hypotetiske aksionbølge. Forestil dig, at du er i en ukendt by, der søger efter en bestemt radiostation ved at arbejde dig igennem FM -båndet en frekvens ad gangen. Axion -jægere gør stort set det samme:De indstiller deres detektorer over en lang række frekvenser i diskrete trin. Hvert trin kan kun dække et meget lille område af mulige aksionsfrekvenser. Denne lille rækkevidde er detektorens båndbredde.

Tuning af en radio indebærer typisk pause i et par sekunder ved hvert trin for at se, om du har fundet den station, du leder efter. Det er sværere, hvis signalet er svagt, og der er meget statisk. Et aksionssignal - i selv de mest følsomme detektorer - ville være ekstraordinært svagt sammenlignet med statisk fra tilfældige elektromagnetiske udsving, som fysikere kalder støj. Jo mere støj der er, jo længere tid detektoren skal sidde ved hvert tuningstrin for at lytte efter et aksionsignal.

Desværre, forskere kan ikke regne med at afhente axionudsendelsen efter et par dusin drejninger på radioskiven. En FM -radio indstiller fra kun 88 til 108 megahertz (1 megahertz er 1 million hertz). Axion frekvens, derimod, kan være alt mellem 300 hertz og 300 milliarder hertz. I takt med at dagens detektorer går, at finde aksionen eller bevise, at den ikke findes, kan tage mere end 10, 000 år.

Klem kvantestøj

På HAYSTAC -teamet, vi har ikke den slags tålmodighed. Så i 2012 satte vi os for at fremskynde aksionssøgningen ved at gøre alt for at reducere støj. Men i 2017 befandt vi os på en grundlæggende minimumsstøjgrænse på grund af en kvantefysisk lov kendt som usikkerhedsprincippet.

Usikkerhedsprincippet siger, at det er umuligt at kende de nøjagtige værdier af bestemte fysiske størrelser samtidigt - f.eks. du kan ikke kende både positionen og momentum for en partikel på samme tid. Husk, at aksionsdetektorer søger efter aksionen ved at måle to kvadrater - den specifikke slags elektromagnetiske feltsvingninger. Usikkerhedsprincippet forbyder præcis viden om begge kvadrater ved at tilføje en minimumsstøj til kvadratursvingningerne.

I konventionelle aksionsdetektorer, kvantestøjen fra usikkerhedsprincippet tilslører begge kvadrater lige meget. Denne støj kan ikke elimineres, men med de rigtige værktøjer kan det styres. Vores team udarbejdede en måde at blande sig omkring kvantestøj i HAYSTAC -detektoren, reducere dens virkning på den ene kvadratur, mens den øger dens virkning på den anden. Denne støjmanipulationsteknik kaldes kvanteklemning.

I en indsats ledet af kandidatstuderende Kelly Backes og Dan Palken, HAYSTAC -teamet tog udfordringen med at implementere klemning i vores detektor, ved hjælp af superledende kredsløbsteknologi lånt fra kvantecomputing -forskning. Almindelige kvantecomputere er langt væk, men vores nye papir viser, at denne klemteknologi umiddelbart kan fremskynde søgningen efter mørkt stof.

Større båndbredde, Hurtigere søgning

Vores team lykkedes at presse støjen i HAYSTAC -detektoren. Men hvordan brugte vi dette til at fremskynde aksionssøgningen?

Kvanteklemning reducerer ikke støjen ensartet over aksionsdetektorbåndbredden. I stedet, den har den største effekt i kanterne. Forestil dig, at du indstiller din radio til 88,3 megahertz, men den station, du ønsker, er faktisk på 88,1. Med kvanteklemning, du ville kunne høre din yndlingssang afspille en station væk.

I radioudsendelsens verden ville dette være en opskrift på katastrofe, fordi forskellige stationer ville forstyrre hinanden. Men med kun et mørkt stofsignal at kigge efter, en større båndbredde giver fysikere mulighed for at søge hurtigere ved at dække flere frekvenser på én gang. I vores seneste resultat brugte vi klemning til at fordoble båndbredden på HAYSTAC, giver os mulighed for at søge efter aksioner dobbelt så hurtigt som vi kunne før.

Kvanteklemning alene er ikke nok til at scanne igennem alle mulige aksionsfrekvenser på en rimelig tid. Men en fordobling af scanningshastigheden er et stort skridt i den rigtige retning, og vi tror på, at yderligere forbedringer af vores kvanteklemme -system muliggør, at vi kan scanne 10 gange hurtigere.

Ingen ved, om der findes aksioner, eller om de vil løse mysteriet om mørkt stof; men takket være denne uventede anvendelse af kvanteteknologi, vi er et skridt tættere på at besvare disse spørgsmål.

Benjamin Brubaker er en postdoktor i kvantefysik ved University of Colorado Boulder.

Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons -licens. Du kan finde original artikel her .