Fermilab -forskare utnyttjar kvanttekniken i jakten på mörk materia.

I årtionden, fysiker har letat efter de svårfångade sakerna, som inte avger ljus men verkar utgöra de allra flesta materia i universum. Flera teoretiska partiklar har föreslagits som kandidater för mörk materia, inklusive svagt interagerande massiva partiklar (WIMP) och axioner.

Fermilabs Aaron Chou leder ett multinstitutionellt konsortiumskonsortium för att tillämpa teknikerna för kvantmetrologi på problemet med att upptäcka axion mörk materia. Projektet, som samlar forskare på Fermilab, National Institute of Standards and Technology, University of Chicago, University of Colorado och Yale University, tilldelades nyligen 2,1 miljoner dollar över två år genom Department of Energy's Quantum Information Science-Enabled Discovery (QuantISED) -program, som försöker främja vetenskapen genom kvantbaserad teknik.

Om forskarna lyckas, upptäckten kan lösa flera kosmologiska mysterier samtidigt.

"Det skulle vara första gången som någon hittat några direkta bevis på förekomsten av mörk materia, "sa Fermilabs Daniel Bowring, vars arbete med denna insats stöds av ett DOE Office of Science Early Career Research Award. "Just nu, vi drar slutsatsen att det finns mörk materia från astrofysiska kroppars beteende. Det finns mycket bra bevis för förekomsten av mörk materia baserat på dessa observationer, men ingen har hittat en partikel än. "

Axion -sökningen

Att hitta en axion skulle också lösa en skillnad i partikelfysik som kallas det starka CP -problemet. Partiklar och antipartiklar är "symmetriska" med varandra:De uppvisar spegelbildsbeteende när det gäller elektrisk laddning och andra egenskaper.

Den starka kraften - en av de fyra grundläggande naturkrafterna - lyder CP -symmetri. Men det finns ingen anledning, åtminstone i fysikens standardmodell, varför det ska. Axionen föreslogs först för att förklara varför den gör det.

Att hitta en axion är en känslig strävan, även jämfört med andra sökningar efter mörk materia. En axions massa är försvinnande låg - någonstans mellan en miljonedel och en tusendels elektronvolt. Som jämförelse, massan av en WIMP förväntas vara mellan en biljon och kvadrilljon gånger mer massiv - i intervallet om en miljard elektronvolts - vilket betyder att de är tillräckligt tunga för att de ibland kan producera en signal genom att stöta på kärnorna i andra atomer. För att leta efter WIMP:er forskare fyller detektorer med flytande xenon (t.ex. i LUX-ZEPLIN experiment med mörk materia vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota) eller germaniumkristaller (i SuperCDMS Soudan-experimentet i Minnesota) och leta efter indikationer på en sådan kollision.

"Du kan inte göra det med axioner eftersom de är så lätta, "Sa Bowring." Så hur vi letar efter axioner skiljer sig i grunden från hur vi letar efter mer massiva partiklar. "

När en axion stöter på ett starkt magnetfält, det borde-åtminstone i teorin-producera en enda mikrovågsfrekvensfoton, en ljuspartikel. Genom att upptäcka den fotonen, forskare bör kunna bekräfta förekomsten av axioner. Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) vid University of Washington och HAYSTAC -experimentet på Yale försöker göra just det.

Dessa experiment använder en stark supraledande magnet för att omvandla axioner till fotoner i en mikrovågshålighet. Kaviteten kan ställas in på olika resonansfrekvenser för att öka interaktionen mellan fotonfältet och axionerna. En mikrovågsmottagare detekterar sedan signalen från fotoner som härrör från interaktionen. Signalen matas genom en förstärkare, och forskare letar efter den förstärkta signalen.

"Men det finns en grundläggande kvantgräns för hur bra en förstärkare kan vara, Sa Bowring.

Fotoner är allestädes närvarande, som introducerar en hög grad av brus som måste filtreras från signalen som detekteras i mikrovågshålan. Och vid högre resonansfrekvenser, signal-brusförhållandet blir gradvis sämre.

Både Bowring och Chou utforskar hur man använder teknik utvecklad för kvantberäkning och informationsbehandling för att komma runt detta problem. Istället för att förstärka signalen och sortera den från bruset, de syftar till att utveckla nya sorters axionsdetektorer som kommer att räkna fotoner mycket exakt - med qubits.

Fördelen med qubit

I en kvantdator, information lagras i qubits, eller kvantbitar. En qubit kan konstrueras av en enda subatomär partikel, som en elektron eller en foton, eller från konstruerade metamaterial som superledande artificiella atomer. Dators design drar fördel av partiklarnas tvåstatskvantsystem, såsom en elektronns snurr (upp eller ner) eller en foton polarisering (vertikal eller horisontell). Och till skillnad från klassiska datorbitar, som har en av endast två tillstånd (en eller noll), qubits kan också existera i en kvantsuperposition, ett slags tillägg av partikelns två kvanttillstånd. Den här funktionen har otaliga potentiella applikationer inom kvantberäkning som fysiker precis har börjat utforska.

I jakten på axioner, Bowring och Chou använder qubits. För att en traditionell antennbaserad detektor ska märka en foton producerad av en axion, den måste absorbera fotonen, förstör det i processen. En qubit, å andra sidan, kan interagera med fotonen många gånger utan att förstöra den. På grund av detta, den qubitbaserade detektorn kommer att ge forskarna en mycket större chans att upptäcka mörk materia.

"Anledningen till att vi vill använda kvantteknik är att kvantberäkningssamhället redan har fått utveckla dessa enheter som kan manipulera en enda mikrovågsfoton, "Sa Chou." Vi gör ungefär samma sak, förutom en enda foton av information som lagras inuti denna behållare är inte något som någon lägger in där som en del av beräkningen. Det är något som den mörka materien lägger in där. "

Ljusreflektion

Att använda en qubit för att upptäcka en axionproducerad foton ger sina egna utmaningar till projektet. I många kvantdatorer, qubits lagras i hålrum gjorda av supraledande material. Superledaren har mycket reflekterande väggar som effektivt fäller en foton tillräckligt länge för att kunna utföra beräkningar med den. Men du kan inte använda en superledare kring kraftfulla magneter som de som används i Bowring och Chous experiment.

"Superledaren förstörs bara av magneter, "Sa Chou. För närvarande, de använder koppar som ersatz -reflektor.

"Men problemet är, vid dessa frekvenser kommer kopparen att lagra en enda foton för endast 10, 000 studsar istället för, säga, en miljard studsar av speglarna, "sa han." Så vi får inte hålla kvar dessa fotoner så länge innan de absorberas. "

Och det betyder att de inte håller sig tillräckligt länge för att kunna plockas upp som en signal. Så forskarna utvecklar en annan, bättre fotonbehållare.

"Vi försöker göra ett hålrum av kristaller med mycket låg förlust, "Sa Chou.

Tänk på en fönsterruta. När ljuset träffar det, några fotoner kommer att studsa av det, och andra kommer att passera. Lägg en annan glasbit bakom den första. Några av fotonerna som passerade genom den första studsar av den andra, och andra kommer att passera genom båda glasbitarna. Lägg till ett tredje lager glas, och en fjärde, och så vidare.

"Även om varje enskilt lager inte är så reflekterande av sig själv, summan av reflektionerna från alla lager ger dig en ganska bra reflektion i slutändan, "Sa Chou." Vi vill göra ett material som fångar ljus länge. "

Bowring ser användningen av kvantberäkningsteknik i sökandet efter mörk materia som en möjlighet att nå över gränserna som ofta håller isär olika discipliner.

"Du kanske frågar varför Fermilab skulle vilja engagera sig i kvantteknik om det är ett partikelfysiklaboratorium, "sa han." Svaret är, åtminstone delvis, att kvanttekniken låter oss göra partikelfysik bättre. Det är vettigt att minska dessa hinder. "