Пройшло вже майже століття відтоді, як темна матерія була вперше запропонована для пояснення руху скупчень галактик, але фізики досі не знають, з чого вона складається.
Дослідники по всьому світу побудували десятки детекторів в надії виявити темну матерію, зокрема один з цих – HAYSTAC. Але, попри десятиліття експериментальних зусиль, вченим ще належить ідентифікувати частку темної матерії.
Наразі пошук темної матерії отримав малоймовірну допомогу з боку технологій, які використовуються в дослідженнях квантових обчислень. У новій статті, опублікованій в журналі Nature, команда HAYSTAC описує, як вони використовували невеликий квантовий обман, щоб подвоїти швидкість, з якою детектор може шукати темну матерію. Результат додає такий необхідний приріст швидкості до полювання за цією загадковою часткою.
Є переконливі докази з астрофізики і космології, що невідома речовина, звана темною матерією, становить понад 80% матерії у Всесвіті. Фізики-теоретики запропонували десятки нових фундаментальних частинок, які можуть пояснити темну матерію. Але щоб визначити, яка з цих теорій вірна, дослідники повинні створити різні детектори для перевірки кожної з них.
Одна відома теорія припускає, що темна матерія складається з поки ще гіпотетичних частинок, званих аксіони, які в сукупності поводяться як невидима хвиля, що коливається в космосі з дуже певною частотою. Детектори аксіонів, включаючи HAYSTAC, працюють як радіоприймачі, але замість того, щоб перетворювати радіохвилі на звукові, вони прагнуть перетворити хвилі аксіонів в електромагнітні. Зокрема, детектори аксіонів вимірюють дві величини, звані квадратурами електромагнітного поля. Ці квадратури є два різних типи коливань в електромагнітній хвилі, які виникли б при існуванні аксіонів.
Основна проблема в пошуках аксіонів полягає в тому, що ніхто не знає частоту гіпотетичної хвилі аксіонів. Вчені налаштовують свої детектори на широкий діапазон частот дискретними кроками. Кожен крок може охоплювати тільки дуже невеликий діапазон можливих частот аксіонів. Цей невеликий діапазон і є смуга пропускання детектора.
Аксіонів сигнал – навіть в найчутливіших детекторах – був би надзвичайно слабким в порівнянні зі статикою від випадкових електромагнітних коливань, які фізики називають шумом. Чим більше шуму, тим довше детектор повинен знаходитися на кожному кроці налаштування, щоб прослухати аксіонів сигнал.
Теж цікаво:
Детектор настроюється тільки від 88 до 108 мегагерців (один мегагерц дорівнює одному мільйону герців). Частота аксіонів, навпаки, може становити від 300 до 300 мільярдів герців. При тій швидкості, з якою сьогодні працюють детектори, на пошук аксіонів або доказ того, що його не існує, може знадобитися понад 10 000 років.
Спеціальні надпровідні схеми, які використовуються для квантових обчислень, можуть допомогти детекторам відсівати шум, який може приховувати аксіонів сигнал.
У 2012 році команда HAYSTAC вирішила прискорити пошук аксіонів, зробивши все можливе для зменшення шуму. Але у 2017 року вони зіткнулися з фундаментальною мінімальною межею шуму через закон квантової фізики, відомий як принцип невизначеності.
Принцип невизначеності свідчить, що неможливо знати точні значення певних фізичних величин одночасно – наприклад, ви не можете знати одночасно положення і імпульс частинки. Нагадаємо, що детектори аксіонів шукають аксіон, вимірюючи дві квадратури – ці особливі види коливань електромагнітного поля. Принцип невизначеності забороняє точне знання обох квадратур, додаючи мінімальну кількість шуму до квадратурних коливань.
У звичайних детекторах квантовий шум з принципу невизначеності в рівній мірі приховує обидві квадратури. Цей шум неможливо усунути, але за допомогою відповідних інструментів його можна контролювати. Команда розробила спосіб обходу квантового шуму в детекторі HAYSTAC, зменшуючи його вплив на одну квадратуру і збільшуючи його вплив на іншу. Цей метод обробки шуму називається квантовим стисненням.
Команда HAYSTAC взяла на себе задачу реалізувати стиснення в детекторі, використовуючи технологію надпровідних ланцюгів, запозичену з досліджень квантових обчислень. У своєму останньому результаті вчені використовували стиснення, щоб подвоїти пропускну здатність HAYSTAC, що дозволило шукати аксіони у два рази швидше. Одного квантового стиснення недостатньо для сканування всіх можливих аксіонів частот за розумний час. Але подвоєння швидкості сканування – великий крок у правильному напрямку.
Ніхто не знає, чи існують аксіони або чи вирішать вони загадку темної матері, але завдяки цьому несподіваному застосуванню квантової технології ми на один крок ближче до відповіді на ці питання.
Читайте також:
Leave a Reply