Stora galaxkluster innehåller både mörk och normal materia. Den enorma tyngdkraften för allt detta material förvränger utrymmet runt klustret, vilket gör att ljuset från föremål som ligger bakom klustret förvrängs och förstoras. Detta fenomen kallas gravitationslinser. NASA/ESA Nästan ett sekel efter att mörk materia först föreslogs att förklara rörelsen i galaxkluster, fysiker har fortfarande ingen aning om vad det består av.
Forskare runt om i världen har byggt dussintals detektorer i hopp om att upptäcka mörk materia. Som doktorand, Jag hjälpte till att designa och använda en av dessa detektorer, lämpligt namnet HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Men trots decennier av experimentell ansträngning, forskare har ännu inte identifierat partikeln av mörk materia.
Nu, sökandet efter mörk materia har fått en osannolik hjälp av teknik som används inom kvantberäkningsforskning. I en ny artikel publicerad i tidskriften Nature, mina kollegor i HAYSTAC -teamet och jag beskriver hur vi använde lite kvantknep för att fördubbla den takt som vår detektor kan söka efter mörk materia. Vårt resultat lägger till en välbehövlig hastighetsökning för jakten på denna mystiska partikel.
Tidigare Yale postdoc Danielle Speller, som nu är biträdande professor vid Johns Hopkins University, dokumenterar processen för HAYSTAC -detektormontering. Sid Cahn
Det finns övertygande bevis från astrofysik och kosmologi att en okänd substans som kallas mörk materia utgör mer än 80 procent av materien i universum. Teoretiska fysiker har föreslagit dussintals nya grundläggande partiklar som kan förklara mörk materia. Men för att avgöra vilken - om någon - av dessa teorier är korrekt, forskare måste bygga olika detektorer för att testa var och en.
En framstående teori föreslår att mörk materia är gjord av ännu hypotetiska partiklar som kallas axioner som kollektivt beter sig som en osynlig våg som pendlar med en mycket specifik frekvens genom kosmos. Axionsdetektorer - inklusive HAYSTAC - fungerar ungefär som radiomottagare, men istället för att omvandla radiovågor till ljudvågor, de syftar till att omvandla axionsvågor till elektromagnetiska vågor. Specifikt, axionsdetektorer mäter två kvantiteter som kallas elektromagnetiska fältkvadraturer. Dessa kvadraturer är två olika sorters oscillationer i den elektromagnetiska vågen som skulle produceras om axioner existerar.
Den största utmaningen i sökandet efter axioner är att ingen känner till frekvensen för den hypotetiska axionsvågen. Tänk dig att du är i en okänd stad som söker efter en viss radiostation genom att arbeta dig igenom FM -bandet en frekvens i taget. Axionjägare gör ungefär samma sak:De ställer in sina detektorer över ett brett frekvensområde i diskreta steg. Varje steg kan endast täcka ett mycket litet intervall av möjliga axionsfrekvenser. Detta lilla område är detektorns bandbredd.
Att ställa in en radio innebär vanligtvis att pausa i några sekunder vid varje steg för att se om du har hittat den station du letar efter. Det är svårare om signalen är svag och det finns mycket statisk. En axionsignal - även i de mest känsliga detektorerna - skulle vara utomordentligt svag jämfört med statisk från slumpmässiga elektromagnetiska fluktuationer, som fysiker kallar buller. Ju mer ljud det är, ju längre detektorn måste sitta vid varje inställningssteg för att lyssna efter en axionsignal.
Tyvärr, forskare kan inte räkna med att plocka upp axionsändningen efter några dussin varv på radioratten. En FM -radio ställer in från endast 88 till 108 megahertz (1 megahertz är 1 miljon hertz). Axionsfrekvensen, däremot, kan vara mellan 300 hertz och 300 miljarder hertz. I takt med att dagens detektorer går, att hitta axeln eller bevisa att den inte existerar kan ta mer än 10, 000 år.
I HAYSTAC -teamet, vi har inte sånt tålamod. Så 2012 satte vi oss för att påskynda axionssökningen genom att göra allt för att minska buller. Men senast 2017 stötte vi på en grundläggande minimiljudgräns på grund av en kvantfysikalisk lag som kallas osäkerhetsprincipen.
Osäkerhetsprincipen säger att det är omöjligt att veta de exakta värdena för vissa fysiska mängder samtidigt - till exempel du kan inte veta både position och momentum för en partikel samtidigt. Minns att axionsdetektorer söker efter axionen genom att mäta två kvadraturer - de specifika typerna av elektromagnetiska fältoscillationer. Osäkerhetsprincipen förbjuder exakt kunskap om båda kvadraturerna genom att lägga till en minimal mängd brus i kvadraturoscillationerna.
I konventionella axionsdetektorer, kvantbruset från osäkerhetsprincipen döljer båda kvadraturerna lika. Det här bullret kan inte elimineras, men med rätt verktyg kan den kontrolleras. Vårt team arbetade fram ett sätt att blanda runt kvantbruset i HAYSTAC -detektorn, minska dess effekt på den ena kvadraturen samtidigt som den ökar dess effekt på den andra. Denna brusmanipuleringsteknik kallas kvantklämning.
I ett försök som leds av doktoranderna Kelly Backes och Dan Palken, HAYSTAC -teamet antog utmaningen att implementera klämning i vår detektor, med hjälp av supraledande kretsteknik som lånats från kvantberäkningsforskning. Kvantdatorer för allmänna ändamål är långt kvar, men vårt nya papper visar att denna klämteknik omedelbart kan påskynda sökandet efter mörk materia.
Yale -doktoranden Kelly Backes och den tidigare Colorado -doktoranden Dan Palken samlar bitar av squeeze state -upplägget. Sid Cahn
Vårt team lyckades klämma in bullret i HAYSTAC -detektorn. Men hur använde vi detta för att påskynda axionssökningen?
Kvantklämning minskar inte bullret jämnt över axionsdetektorns bandbredd. Istället, den har störst effekt vid kanterna. Tänk dig att du ställer in din radio på 88,3 megahertz, men den station du vill ha ligger faktiskt på 88,1. Med kvantklämning, du skulle kunna höra din favoritlåt spela en station bort.
I radiosändningsvärlden skulle detta vara ett recept på katastrof, eftersom olika stationer skulle störa varandra. Men med bara en mörk materiesignal att leta efter, en bredare bandbredd gör att fysiker kan söka snabbare genom att täcka fler frekvenser samtidigt. I vårt senaste resultat använde vi pressning för att fördubbla bandbredden för HAYSTAC, så att vi kan leta efter axioner dubbelt så snabbt som vi kunde tidigare.
Kvantklämning ensam räcker inte för att skanna igenom alla möjliga axionsfrekvenser på rimlig tid. Men att fördubbla skanningshastigheten är ett stort steg i rätt riktning, och vi tror att ytterligare förbättringar av vårt kvantklämsystem kan göra att vi kan skanna 10 gånger snabbare.
Ingen vet om axioner existerar eller om de kommer att lösa mysteriet med mörk materia; men tack vare denna oväntade tillämpning av kvantteknik, vi är ett steg närmare att svara på dessa frågor.
Benjamin Brubaker är en postdoktor i kvantfysik vid University of Colorado Boulder.
Den här artikeln är publicerad igen från Konversationen under en Creative Commons -licens. Du kan hitta originalartikel här .
