Et kvantespring mod at udvide søgen efter mørkt stof

At finde ud af, hvordan man kan udvide søgen efter partikler i mørkt stof - mørkt stof beskriver de ting, der udgør en anslået 85 procent af universets samlede masse, men hidtil kun er blevet målt ved dets tyngdekraftseffekter - er lidt som at bygge en bedre musefælde ... det vil sige en musefælde til en mus, du aldrig har set, vil aldrig se direkte, kan få selskab af et ulige sortiment af andre mus, eller måske ikke er en mus.

Nu, gennem et nyt forskningsprogram støttet af U.S. Department of Energy's Office of High Energy Physics (HEP), et konsortium af forskere fra DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Berkeley, og University of Massachusetts Amherst vil udvikle sensorer, der får kvantfysikkens tilsyneladende underlige egenskaber til at undersøge partikler af mørkt stof på nye måder, med øget følsomhed, og i ukendte områder. Maurice Garcia-Sciveres, en fysiker fra Berkeley Lab, leder dette Quantum Sensors HEP-Quantum Information Science (QIS) -konsortium.

Kvanteteknologier dukker op som lovende alternativer til de mere konventionelle "musefælder", som forskere tidligere har brugt til at spore undvigende partikler. Og DOE, gennem det samme HEP -kontor, støtter også en samling af andre forskningsindsatser ledet af Berkeley Lab -forskere, der benytter kvanteteori, ejendomme, og teknologier inden for QIS -området.

Disse bestræbelser omfatter:

• Afklaring af kvantestrukturen for kvantekromodynamik i Parton Shower Monte Carlo -generatorer - Denne indsats vil udvikle computerprogrammer, der tester interaktionerne mellem grundlæggende partikler i ekstreme detaljer. Aktuelle computersimuleringer er begrænset af klassiske algoritmer, selvom kvantealgoritmer mere præcist kunne modellere disse interaktioner og kunne give en bedre måde at sammenligne med og forstå partikelhændelser målt ved CERNs Large Hadron Collider, verdens mest kraftfulde partikelkollider. Berkeley Labs Christian Bauer, en senior forsker, vil lede denne indsats.
• Quantum Pattern Recognition (QPR) for High-Energy Physics-Stigende partikelacceleratorer kræver langt hurtigere computeralgoritmer til at overvåge og sortere milliarder af partikelhændelser i sekundet, og denne indsats vil udvikle og studere potentialet i kvantebaserede algoritmer til mønstergendannelse til at rekonstruere ladede partikler. Sådanne algoritmer har potentiale til betydelige hastighedsforbedringer og øget præcision. Anført af Berkeley Lab -fysiker og divisionsstipendiat Heather Gray, denne indsats vil involvere højenergifysik og højtydende computerekspertise i Berkeley Labs fysikafdeling og på laboratoriets nationale energiforskningsvidenskabelige computercenter, en DOE Office of Science brugerfacilitet, og også på UC Berkeley.
• Skipper-CCD, en ny enkeltfotonsensor til kvantebilleddannelse-I de sidste seks år har Berkeley Lab og Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) har samarbejdet i udviklingen af ​​en detektor til astrofysikforsøg, der kan detektere den mindste individuelle lysenhed, kendt som en foton. Denne Skipper-CCD-detektor blev med succes demonstreret i sommeren 2017 med en utrolig lav støj, der tillod detektion af selv individuelle elektroner. Som et næste trin, denne Fermilab-ledede indsats vil søge at afbilde par af fotoner, der eksisterer i en tilstand af kvanteindvikling, hvilket betyder, at deres egenskaber er iboende relateret - selv over lange afstande - sådan at målingen af ​​en af ​​partiklerne nødvendigvis definerer egenskaberne for den anden. Steve Holland, en seniorforsker og ingeniør ved Berkeley Lab, der er en pioner i udviklingen af ​​højtydende siliciumdetektorer til en række anvendelser, leder Berkeley Labs deltagelse i dette projekt.
• Geometri og flow af kvanteinformation:Fra kvantegravitet til kvanteteknologi - Denne indsats vil udvikle kvantealgoritmer og simuleringer for egenskaber, herunder fejlretning og informationskryptering, der er relevante for sorte hulteorier og for kvanteberegning, der involverer stærkt forbundne arrays af superledende qubits - grundenhederne i en kvantecomputer. Forskere vil også sammenligne disse med mere klassiske metoder. UC Berkeley leder dette forskningsprogram, og Irfan Siddiqi, en videnskabsmand i Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab og grundlægger af Center for Quantum Coherent Science ved UC Berkeley, leder Berkeley Labs engagement.
• Siddiqi leder også et separat forskningsprogram, Feltprogrammerbar Gate Array-baseret kvantekontrol til højenergifysikssimuleringer med Qutrits, der vil udvikle specialiserede værktøjer og logiske familier til høj-energi-fysik-fokuseret kvanteberegning. Denne indsats involverer Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics Division.

Disse projekter er også en del af Berkeley Quantum, et partnerskab, der udnytter ekspertisen og faciliteterne i Berkeley Lab og UC Berkeley for at fremme amerikanske kvanteegenskaber ved at udføre grundforskning, fremstilling og test af kvantebaserede enheder og teknologier, og uddannelse af den næste generation af forskere.

Også, på tværs af flere af dets kontorer, DOE har annonceret støtte til en bølge af andre F &U -bestræbelser, der vil fremme innovativ innovation inden for kvanteinformationsvidenskab på Berkeley Lab, på andre nationale laboratorier, og på partnerinstitutioner.

På Berkeley Lab, den største HEP-finansierede QIS-relaterede virksomhed vil omfatte et tværfagligt team i udvikling og demonstration af kvantesensorer for at lede efter meget lav masse mørke stofpartikler-såkaldt "lys mørkt stof"-ved at instrumentere to forskellige detektorer.

En af disse detektorer vil bruge flydende helium ved en meget lav temperatur, hvor ellers velkendte fænomener som varme og varmeledningsevne viser kvanteadfærd. Den anden detektor vil bruge specielt fremstillede krystaller af galliumarsenid (se en relateret artikel), også afkølet til kryogene temperaturer. Ideerne til, hvordan disse eksperimenter kan søge efter meget let mørkt stof, stammede fra teorirarbejde på Berkeley Lab.

"Der er meget uudforsket område i mørkt stof med lav masse, "sagde Natalie Roe, direktør for Physics Division på Berkeley Lab og hovedforsker for laboratoriets HEP-relaterede kvanteindsats. "Vi har alle brikkerne til at samle dette:i teorien, eksperimenter, og detektorer. "

Garcia-Sciveres, hvem leder anstrengelserne for at anvende kvantesensorer til søgen efter lav masse mørkt stof, bemærkede, at andre større bestræbelser-som f.eks. Berkeley Lab-ledet LUX-ZEPLIN (LZ) -forsøg, der er ved at tage form i South Dakota-vil hjælpe med at finde ud af, om partikler af mørkt stof kendt som WIMP'er (svagt interagerende massive partikler) findes med masser, der kan sammenlignes med atomer. Men LZ og lignende forsøg er ikke designet til at detektere partikler af mørkt stof med meget lavere masser.

"De traditionelle WIMP -eksperimenter i mørkt stof har ikke fundet noget endnu, "sagde han." Og der er meget teoretisk arbejde med modeller, der favoriserer partikler med en lavere masse, end eksperimenter som LZ kan måle, "tilføjede han." Dette har motiveret folk til virkelig at kigge hårdt på, hvordan du kan opdage partikler med meget lav masse. Det er ikke så let. Det er et meget lille signal, der skal detekteres uden baggrundsstøj. "

Forskere håber at udvikle kvantesensorer, der er bedre til at filtrere støjen fra uønskede signaler. Mens et traditionelt WIMP -eksperiment er designet til at mærke rekyl af en hel atomkerne, efter at den er "sparket" af en partikel af mørkt stof, meget lavmasse partikler af mørkt stof vil hoppe lige ud af kerner uden at påvirke dem, som en loppe, der hopper af en elefant.

Målet med den nye indsats er at fornemme partiklerne med lav masse via deres energioverførsel i form af meget svage kvantevibrationer, som går under navne som "fononer" eller "rotoner, " for eksempel, Sagde Garcia-Sciveres.

"Du ville aldrig kunne fortælle, at en usynlig loppe rammer en elefant ved at se elefanten. Men hvad nu hvis en usynlig loppe rammer en elefant i den ene ende af besætningen, en synlig loppe slynges væk fra en elefant i den anden ende af besætningen? "sagde han.

"Du kan bruge disse sensorer til at se efter sådanne små signaler i en meget kold krystal eller superflydende helium, hvor en indgående mørk stofpartikel er som den usynlige loppe, og den udgående synlige loppe er en kvantevibration, der skal detekteres. "

Partikelfysikfællesskabet har afholdt nogle workshops for at brainstorme mulighederne for at opdage mørkt stof med lav masse. "Dette er et nyt regime. Dette er et område, hvor der ikke engang er nogen målinger endnu. Der er et løfte om, at QIS -teknikker kan hjælpe med at give os mere følsomhed over for de små signaler, vi leder efter, "Tilføjede Garcia-Sciveres." Lad os se, om det er sandt. "

Demonstrationsdetektorerne vil hver have omkring 1 kubikcentimeter detektormateriale. Dan McKinsey, en seniorforsker fra Berkeley Lab -fakultetet og UC Berkeley -fysikprofessor, der er ansvarlig for udviklingen af ​​den flydende heliumdetektor, sagde, at detektorerne vil blive konstrueret på UC Berkeley campus. Begge er designet til at være følsomme over for partikler med en masse lettere end protoner - de positivt ladede partikler, der findes i atomkerner.

Den superflydende heliumdetektor vil gøre brug af en proces kaldet "kvantefordampning, "hvor rotoner og fononer får individuelle heliumatomer til at fordampe fra overfladen af ​​superflydende helium.

Kathryn Zurek, en fysiker fra Berkeley Lab og en banebrydende teoretiker i søgen efter partikler af meget lav masse i mørkt stof, der arbejder på kvantesensorprojektet, sagde, at teknologien til at opdage sådanne "hvisker" af mørkt stof ikke eksisterede for bare et årti siden, men "har gjort store gevinster i de sidste par år." Hun bemærkede også, "Der havde været en del skepsis over, hvor realistisk det ville være at lede efter dette mørke lysmasse, men samfundet har bevæget sig mere bredt i den retning. "

Der er mange synergier i ekspertisen og kapaciteterne, der har udviklet sig både på Berkeley Lab og på UC Berkeley campus, der gør det til et godt tidspunkt - og det rigtige sted - at udvikle og anvende kvanteteknologier til jagten på mørkt stof, Sagde Zurek.

Teorier udviklet på Berkeley Lab tyder på, at visse eksotiske materialer udviser kvantetilstande eller "tilstande", som partikler med lav masse mørkt stof kan parre sig med, hvilket ville gøre partiklerne påviselige - ligesom den "synlige loppe", der er refereret ovenfor.

"Disse ideer er motivationen for at bygge disse eksperimenter for at søge efter lys mørkt stof, "Zurek sagde." Dette er en bred og mangesidig tilgang, og tanken er, at det bliver et springbræt til en større indsats. "

Det nye projekt vil trække på en dyb erfaring med at bygge andre typer partikeldetektorer, og F&U i ultrafølsomme sensorer, der opererer ved tærsklen, hvor et elektrisk ledende materiale bliver en superleder - det "vippepunkt", der er følsomt over for de mindste udsving. Versioner af disse sensorer bruges allerede til at søge efter små temperaturvariationer i levnets mikrobølge lys, der spænder over universet.

Ved afslutningen af ​​den treårige demonstration, forskere kunne måske vende blikket mod mere eksotiske typer detektormaterialer i større mængder.

"Jeg er spændt på at se dette program komme videre, og jeg tror, ​​det vil blive en væsentlig forskningsretning i fysikafdelingen ved Berkeley Lab, " hun sagde, tilføjer, at programmet også kunne demonstrere ultrafølsomme detektorer, der har applikationer inden for andre videnskabelige områder.