Fermilab-forskere leder efter mørkt stof ved hjælp af kvanteteknologi

Fermilab-forskere udnytter kvanteteknologi i deres søgen efter mørkt stof.

I årtier, fysikere har ledt efter de undvigende ting, som ikke udsender lys, men ser ud til at udgøre langt størstedelen af ​​stof i universet. Adskillige teoretiske partikler er blevet foreslået som mørkt stofkandidater, herunder svagt interagerende massive partikler (WIMP'er) og aksioner.

Fermilabs Aaron Chou leder et multi-institutionelt konsortium konsortium til at anvende kvantemetrologisk teknikker til problemet med at detektere axion mørkt stof. Projektet, som samler forskere ved Fermilab, National Institute of Standards and Technology, University of Chicago, University of Colorado og Yale University, blev for nylig tildelt $2,1 millioner over to år gennem Department of Energy's Quantum Information Science-Enabled Discovery (QuantISED) program, som søger at fremme videnskaben gennem kvantebaserede teknologier.

Hvis det lykkes for forskerne, opdagelsen kunne løse flere kosmologiske mysterier på én gang.

"Det ville være første gang, at nogen havde fundet noget direkte bevis på eksistensen af ​​mørkt stof, " sagde Fermilabs Daniel Bowring, hvis arbejde med denne indsats er støttet af en DOE Office of Science Early Career Research Award. "Lige nu, vi udleder eksistensen af ​​mørkt stof ud fra astrofysiske kroppes adfærd. Der er meget gode beviser for eksistensen af ​​mørkt stof baseret på disse observationer, men ingen har fundet en partikel endnu."

Axionssøgningen

At finde en axion ville også løse en uoverensstemmelse i partikelfysikken kaldet det stærke CP-problem. Partikler og antipartikler er "symmetriske" i forhold til hinanden:De udviser spejlbilledadfærd med hensyn til elektrisk ladning og andre egenskaber.

Den stærke kraft – en af ​​de fire grundlæggende naturkræfter – adlyder CP-symmetri. Men der er ingen grund, i det mindste i standardmodellen for fysik, hvorfor det skulle. Aksionen blev først foreslået for at forklare, hvorfor den gør det.

At finde en aksion er en delikat bestræbelse, selv sammenlignet med andre søgninger efter mørkt stof. En axions masse er forsvindende lav - et sted mellem en milliontedel og en tusindedel af en elektronvolt. Til sammenligning, massen af ​​en WIMP forventes at være mellem en trillion og kvadrillion gange mere massiv – i intervallet en milliard elektronvolt – hvilket betyder, at de er tunge nok til, at de lejlighedsvis kunne producere et signal ved at støde ind i andre atomers kerner. For at lede efter WIMP'er, videnskabsmænd fylder detektorer med flydende xenon (f.eks. i LUX-ZEPLIN-eksperimentet med mørkt stof ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota) eller germanium-krystaller (i SuperCDMS Soudan-eksperimentet i Minnesota) og se efter indikationer på en sådan kollision.

"Du kan ikke gøre det med aksioner, fordi de er så lette, " sagde Bowring. "Så den måde, vi leder efter aksioner på, er fundamentalt forskellig fra den måde, vi leder efter mere massive partikler."

Når en aksion støder på et stærkt magnetfelt, det burde - i det mindste i teorien - producere en enkelt mikrobølgefrekvensfoton, en lyspartikel. Ved at detektere den foton, videnskabsmænd burde være i stand til at bekræfte eksistensen af ​​axioner. Axion Dark Matter-eksperimentet (ADMX) ved University of Washington og HAYSTAC-eksperimentet ved Yale forsøger at gøre netop det.

Disse eksperimenter bruger en stærk superledende magnet til at omdanne aksioner til fotoner i et mikrobølgehulrum. Kaviteten kan indstilles til forskellige resonansfrekvenser for at øge interaktionen mellem fotonfeltet og aksionerne. En mikrobølgemodtager detekterer derefter signalet fra fotoner, der er et resultat af interaktionen. Signalet føres gennem en forstærker, og videnskabsmænd leder efter det forstærkede signal.

"Men der er en grundlæggende kvantegrænse for, hvor god en forstærker kan være, " sagde Bowring.

Fotoner er allestedsnærværende, som introducerer en høj grad af støj, der skal filtreres fra signalet, der detekteres i mikrobølgehulrummet. Og ved højere resonansfrekvenser, signal-til-støj-forholdet bliver gradvist værre.

Både Bowring og Chou undersøger, hvordan man bruger teknologi udviklet til kvanteberegning og informationsbehandling til at omgå dette problem. I stedet for at forstærke signalet og sortere det fra støjen, de sigter mod at udvikle nye slags aksionsdetektorer, der vil tælle fotoner meget præcist - med qubits.

Qubit fordelen

I en kvantecomputer, information gemmes i qubits, eller kvantebits. En qubit kan konstrueres ud fra en enkelt subatomær partikel, som en elektron eller en foton, eller fra konstruerede metamaterialer såsom superledende kunstige atomer. Computerens design udnytter partiklernes to-stats kvantesystemer, såsom en elektrons spin (op eller ned) eller en fotons polarisation (lodret eller vandret). Og i modsætning til klassiske computerbits, som har en af ​​kun to tilstande (en eller nul), qubits kan også eksistere i en kvantesuperposition, en slags tilføjelse af partiklens to kvantetilstande. Denne funktion har utallige potentielle anvendelser inden for kvanteberegning, som fysikere lige er begyndt at udforske.

I søgen efter aksioner, Bowring og Chou bruger qubits. For at en traditionel antennebaseret detektor kan bemærke en foton produceret af en aksion, det skal absorbere fotonen, ødelægger det i processen. En qubit, på den anden side, kan interagere med fotonen mange gange uden at tilintetgøre den. På grund af dette, den qubit-baserede detektor vil give forskerne en meget større chance for at opdage mørkt stof.

"Grunden til, at vi ønsker at bruge kvanteteknologi er, at kvantecomputersamfundet allerede har været nødt til at udvikle disse enheder, der kan manipulere en enkelt mikrobølgefoton, " sagde Chou. "Vi laver lidt det samme, bortset fra, at en enkelt foton af information, der er gemt inde i denne beholder, ikke er noget, som nogen har lagt ind der som en del af beregningen. Det er noget, som det mørke stof har lagt deri«.

Lysreflektion

At bruge en qubit til at detektere en axion-produceret foton bringer sit eget sæt udfordringer til projektet. I mange kvantecomputere, qubits opbevares i hulrum lavet af superledende materialer. Superlederen har stærkt reflekterende vægge, der effektivt fanger en foton længe nok til at udføre beregninger med den. Men du kan ikke bruge en superleder omkring højeffektmagneter som dem, der blev brugt i Bowring og Chous eksperimenter.

"Superlederen er bare ødelagt af magneter, " sagde Chou. I øjeblikket, de bruger kobber som en ersatz-reflektor.

"Men problemet er, ved disse frekvenser vil kobberet lagre en enkelt foton i kun 10, 000 bounces i stedet for, sige, en milliard preller ud af spejlene, " sagde han. "Så vi når ikke at beholde disse fotoner i lige så lang tid, før de bliver absorberet."

Og det betyder, at de ikke bliver siddende længe nok til at blive opfanget som et signal. Så forskerne udvikler en anden, bedre fotonbeholder.

"Vi forsøger at lave et hulrum af krystaller med meget lavt tab, " sagde Chou.

Tænk på en rude. Når lyset rammer det, nogle fotoner vil hoppe af det, og andre vil passere igennem. Placer endnu et stykke glas bag det første. Nogle af de fotoner, der passerede gennem den første, vil hoppe af den anden, og andre vil passere gennem begge glasstykker. Tilføj et tredje lag glas, og en fjerde, og så videre.

"Selvom hvert enkelt lag ikke er så reflekterende i sig selv, summen af ​​refleksionerne fra alle lagene giver dig en ret god refleksion i sidste ende, " sagde Chou. "Vi vil lave et materiale, der fanger lys i lang tid."

Bowring ser brugen af ​​kvantecomputerteknologi i søgen efter mørkt stof som en mulighed for at nå ud over de grænser, der ofte holder forskellige discipliner adskilt.

"Du kan spørge, hvorfor Fermilab ønsker at blive involveret i kvanteteknologi, hvis det er et partikelfysiklaboratorium, sagde han. Svaret er, i hvert fald delvist, at kvanteteknologi lader os gøre partikelfysik bedre. Det giver mening at sænke de barrierer."