Forskere udvikler nye, hurtigere metode til at opsøge mørkt stof

I næsten et århundrede, forskere har arbejdet med at opklare mysteriet om mørkt stof - et undvigende stof, der spreder sig gennem universet og sandsynligvis udgør meget af dets masse, men har hidtil vist sig umulig at opdage i forsøg. Nu, et team af forskere har brugt en innovativ teknik kaldet "kvanteklemning" for dramatisk at fremskynde søgningen efter en kandidat til mørkt stof i laboratoriet.

Fundene, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , centreret om en utrolig let og endnu uopdaget partikel kaldet axion. Ifølge teorien, aksioner er sandsynligvis milliarder til billioner gange mindre end elektroner og kan have været skabt under Big Bang i store mængder - nok til potentielt at forklare eksistensen af ​​mørkt stof.

At finde denne lovende partikel, imidlertid, er lidt som at lede efter en enkelt kvantenål ​​i en virkelig stor høstak.

Der kan være en vis lettelse i sigte. Forskere på et projekt kaldet, passende, Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) -eksperimentet rapporterer, at de har forbedret effektiviteten af ​​deres jagt forbi en grundlæggende hindring pålagt af termodynamikkens love. Gruppen omfatter forskere ved JILA, et fælles forskningsinstitut ved University of Colorado Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Det er en fordobling af hastigheden fra det, vi var i stand til at gøre før, sagde Kelly Backes, en af ​​to hovedforfattere af det nye papir og en kandidatstuderende ved Yale University.

Den nye tilgang gør det muligt for forskere bedre at adskille de utroligt svage signaler om mulige aksioner fra den tilfældige støj, der findes på ekstremt små skalaer i naturen, undertiden kaldet "kvanteudsving". Holdets chancer for at finde aksionen i løbet af de næste flere år er stadig omtrent lige så sandsynlige som at vinde i lotteriet, sagde studieforfatter Konrad Lehnert, en NIST -stipendiat hos JILA. Men disse odds bliver kun bedre.

"Når du har en vej udenom kvanteudsving, din vej kan bare gøres bedre og bedre, sagde Lehnert, også professor adjoint i Institut for Fysik ved CU Boulder.

HAYSTAC ledes af Yale og er et partnerskab med JILA og University of California, Berkeley.

Kvantelove

Daniel Palken, den første forfatter til det nye papir, forklarede, at det, der gør aksionen så vanskelig at finde, også er det, der gør den til en så ideel kandidat til mørkt stof - den er let, bærer ingen elektrisk ladning og interagerer næsten aldrig med normalt stof.

"De har ingen af ​​de egenskaber, der gør en partikel let at opdage, sagde Palken, der tjente sin ph.d. fra JILA i 2020

Men der er en sølvfor:Hvis aksioner passerer gennem et stærkt nok magnetfelt, et lille antal af dem kan omdanne til lysbølger - og det er noget, forskere kan opdage. Forskere har iværksat bestræbelser på at finde disse signaler i kraftige magnetfelter i rummet. HAYSTAC -eksperimentet, imidlertid, holder fødderne plantet på jorden.

Projektet, som offentliggjorde sine første resultater i 2017, anvender en ultrakold facilitet på Yale-campus til at skabe stærke magnetfelter, prøv derefter at registrere signalet om aksioner, der bliver til lys. Det er ikke en let søgning. Forskere har forudsagt, at aksioner kunne udvise en ekstremt bred vifte af teoretiske masser, hver af dem ville producere et signal med en anden lysfrekvens i et eksperiment som HAYSTAC. For at finde den rigtige partikel, derefter, holdet skal muligvis rifle igennem en lang række muligheder - som at stemme en radio for at finde en enkelt, svag station.

"Hvis du prøver at gå nærmere ind på disse virkelig svage signaler, det kan ende med at tage dig tusinder af år, "Sagde Palken.

Nogle af de største hindringer for holdet er selve kvantemekanikkens love - nemlig, Heisenberg -usikkerhedsprincippet, hvilket begrænser, hvor præcise forskere kan være i deres observationer af partikler. I dette tilfælde, holdet kan ikke nøjagtigt måle to forskellige egenskaber ved lyset, der produceres af aksioner på samme tid.

HAYSTAC -teamet, imidlertid, er landet på en måde at slippe forbi de uforanderlige love.

Skiftende usikkerheder

Tricket kommer til at bruge et værktøj kaldet en Josephson parametrisk forstærker. Forskere ved JILA udviklede en måde at bruge disse små enheder til at "klemme" det lys, de fik fra HAYSTAC -eksperimentet.

Palken forklarede, at HAYSTAC -teamet ikke behøver at registrere begge egenskaber ved indkommende lysbølger med præcision - kun en af ​​dem. Klemme drager fordel af det ved at flytte usikkerheder i målinger fra en af ​​disse variabler til en anden.

"Klem er bare vores måde at manipulere det kvantemekaniske vakuum til at sætte os i stand til at måle en variabel meget godt, "Sagde Palken." Hvis vi forsøgte at måle den anden variabel, vi ville opdage, at vi ville have meget lidt præcision. "

For at teste metoden, forskerne foretog en prøvekørsel på Yale for at lede efter partiklen over et bestemt område af masser. De fandt det ikke, men eksperimentet tog den halve tid, som det normalt ville, Sagde Backes.

"Vi foretog en 100-dages datakørsel, "sagde hun." Normalt dette papir ville have taget os 200 dage at fuldføre, så vi sparede en tredjedel af et år, hvilket er ret utroligt. "

Lehnert tilføjede, at gruppen er ivrig efter at skubbe disse grænser endnu længere-og finder på nye måder at grave efter den evigt undvigende nål.

"Der er meget kød tilbage på knoglen i bare at få ideen til at fungere bedre, " han sagde.