Følsom qubit-baseret teknik til at fremskynde søgning efter mørkt stof

Forskere ved Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory og University of Chicago har demonstreret en ny teknik baseret på kvanteteknologi, der vil fremme søgen efter mørkt stof, det usynlige stof, der tegner sig for 85% af alt stof i universet.

Samarbejdet har udviklet superledende versioner af enheder kaldet qubits, der vil være i stand til at detektere de svage signaler, der udsendes af to slags hypotetiske subatomære partikler, der kunne opholde sig i en usynlig, men allestedsnærværende del af universet kaldet den mørke sektor. Den ene kaldes en axion, en førende mørk stofkandidat. Den anden kaldes en skjult foton, en partikel, der muligvis interagerer med fotonerne – lyspartikler – i det synlige univers.

Teknikken, der nu er demonstreret af Fermilab-University of Chicago-holdet, er 36 gange mere følsom over for partiklerne end kvantegrænsen, et benchmark for konventionelle kvantemålinger, gør det muligt for søgninger efter mørkt stof at fortsætte 1, 000 gange hurtigere.

Brug af lys til at detektere mørke partikler

I teknikken, qubits er designet til at detektere de fotoner, der ville blive produceret, når mørkt stof partikler interagerer med et elektromagnetisk felt. Fordelen ved at bruge qubits som detektorer i stedet for den konventionelle teknologi ligger i den måde, de interagerer med fotoner på.

Nøglen til teknikkens følsomhed er dens evne til at eliminere falsk-positive aflæsninger. Konventionelle teknikker ødelægger de fotoner, de måler. Men den nye teknik kan sondere fotonen uden at ødelægge den. At lave gentagne målinger af den samme foton, i løbet af dens 500 mikrosekunders levetid, giver forsikring mod fejlaflæsninger.

"At foretage en måling af fotonen én gang med qubit tager omkring 10 mikrosekunder, så vi kan foretage omkring 50 gentagne målinger af den samme foton inden for dens levetid, " sagde Akash Dixit, en doktorgradsstuderende i fysik ved University of Chicago.

Dixit og hans medforfattere, inklusive Fermilabs Aaron Chou, beskrive deres teknik i Fysisk gennemgangsbreve .

"Eksperimenter med konventionelle teknikker var bare ikke i nærheden af, hvad de skulle være, for at vi kunne detektere mørkt stof med højere masse, " sagde Chou. "Støjniveauet er alt for højt."

Der er to måder at gøre et eksperiment mere følsomt over for de subtile antydninger af ny fysik, som forskerne leder efter. Den ene er at booste signalet ved at lave større detektorer. En anden for at reducere støjniveauerne, der skjuler målsignalerne. Fermilab-University of Chicago-holdet gjorde det sidste.

"Det er en meget mere smart og billigere måde at få de samme store forbedringer i følsomhed på, " sagde Chou. "Nu, niveauet af den statiske støj er blevet reduceret så meget, at du har en chance for faktisk at se de allerførste små vrikke i dine målinger på grund af den meget, meget lille signal."

Teknikken vil gavne søgningen efter enhver mørk stofkandidat, fordi når usynlige partikler omdannes til fotoner, de kan opdages.

"Hvor den konventionelle metode kan generere en foton af støj med hver måling, i vores detektor får du en foton af støj for hver tusinde målinger du foretager, " sagde Dixit.

Dixit og hans kolleger tilpassede deres teknik fra en, udviklet af atomfysiker Serge Haroche, som delte 2012 Nobelprisen i fysik for sin bedrift. Chou betragter den nye teknik som en del af den progression, der startede med udviklingen af ​​ikke-nedrivningsinteraktion i atomfysik og nu importeres til området for superledende qubits.

Friter aksioner og skjulte fotoner ud

Fysikere har gjort få fremskridt med at opdage aksioner, siden deres eksistens blev foreslået for mere end 30 år siden.

"Vi ved, at der er en enorm mængde masse omkring os, som ikke er lavet af de samme ting, du og jeg er lavet af, " sagde Chou. "Mørkt stofs natur er et virkelig overbevisende mysterium, som mange af os forsøger at løse."

Superledende mikrobølgehulrum er afgørende for den nye teknik. Hulrummet, der blev brugt i eksperimentet, er lavet af meget rent - 99,9999% - aluminium. Ved ekstremt lave temperaturer, aluminium bliver superledende, en egenskab, der forlænger levetiden af ​​qubits, som i sagens natur er kortvarige. Det superledende hulrum giver en måde at akkumulere og lagre signalfotonen. Qubit, en antenne indsat i hulrummet, måler derefter fotonen.

"Fordelen vi får er, at når du – eller mørkt stof – sætter en foton i hulrummet, det er i stand til at holde fotonen i lang tid, " observerede Dixit. "Jo længere hulrummet holder fotonen, jo længere tid har vi til at foretage en måling."

Den samme teknik kan finde skjulte fotoner og aksioner; sidstnævnte vil kræve et højt magnetfelt at detektere.

Hvis der findes aksioner, det aktuelle eksperiment giver en en-i-10, 000 chance for, at den ville detektere en foton produceret af en mørk stofinteraktion.

"For yderligere at forbedre vores evne til at fornemme en så sjælden begivenhed, fotonernes temperatur skal sænkes, " sagde David Schuster, University of Chicago lektor i fysik og medforfatter til det nye papir. Sænkning af fotontemperaturen vil yderligere øge følsomheden over for alle mørkt stofkandidater, inklusive skjulte fotoner.

Fotonerne i eksperimentet er blevet afkølet til en temperatur på cirka 40 millikelvin (minus 459,60 grader Fahrenheit), kun et tryk over det absolutte nulpunkt. Forskerne vil gerne gå så lavt som driftstemperaturen på 8 millikelvin (minus 459,66 grader Fahrenheit). På dette tidspunkt, miljøet for at søge efter mørkt stof ville være pletfrit, effektivt fri for baggrundsfotoner.

"Selvom der bestemt stadig er en vej at gå, der er grund til at være optimistisk sagde Schuster, hvis forskergruppe vil anvende den samme teknologi til kvanteberegning. "Vi bruger kvanteinformationsvidenskab til at hjælpe det mørke stof med at søge, men den samme slags baggrundsfotoner er også en potentiel fejlkilde til kvanteberegninger. Så denne forskning har anvendelser ud over grundlæggende videnskab."

Schuster sagde, at projektet giver et godt eksempel på den type samarbejde, der giver mening at gøre mellem et universitetslaboratorium og et nationalt laboratorium.

"Vores universitetslaboratorium havde qubit-teknologien, men på lang sigt af os selv, vi var ikke rigtig i stand til at foretage nogen form for mørk stofsøgning på det nødvendige niveau. Det er her det nationale laboratoriepartnerskab spiller en vigtig rolle, " han sagde.

Udbyttet af denne tværfaglige indsats kan være enorm.

"Der er bare ingen måde at udføre disse eksperimenter på uden de nye teknikker, som vi udviklede, " sagde Chou.