I nästan ett sekel, forskare har arbetat för att reda ut mysteriet med mörk materia – ett svårfångat ämne som sprider sig genom universum och troligen utgör mycket av dess massa, men har hittills visat sig omöjlig att upptäcka i experiment. Nu, ett team av forskare har använt en innovativ teknik som kallas "quantum squeezing" för att dramatiskt påskynda sökandet efter en kandidat för mörk materia i labbet.

Resultaten, publiceras idag i tidskriften Natur , centrera på en otroligt lätt och ännu oupptäckt partikel som kallas axion. Enligt teorin, Axioner är sannolikt miljarder till biljoner gånger mindre än elektroner och kan ha skapats under Big Bang i enorma antal – tillräckligt för att potentiellt förklara förekomsten av mörk materia.

Att hitta denna lovande partikel, dock, är lite som att leta efter en enda kvantnål i en riktigt stor höstack.

Det kan finnas en viss lättnad i sikte. Forskare på ett projekt som heter, passande, experimentrapporten Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) rapporterar att de har förbättrat effektiviteten i sin jakt förbi ett grundläggande hinder som införts av termodynamikens lagar. I gruppen ingår forskare vid JILA, ett gemensamt forskningsinstitut för University of Colorado Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Det är en fördubbling av hastigheten från vad vi kunde göra tidigare, sa Kelly Backes, en av två huvudförfattare till den nya artikeln och en doktorand vid Yale University.

Den nya metoden gör det möjligt för forskare att bättre separera de otroligt svaga signalerna från möjliga axioner från det slumpmässiga bruset som finns i extremt små skalor i naturen, kallas ibland "kvantfluktuationer". Lagets chanser att hitta axionen under de närmaste åren är fortfarande ungefär lika sannolika som att vinna på lotteriet, sa studiemedförfattare Konrad Lehnert, en NIST-stipendiat vid JILA. Men de oddsen kommer bara att bli bättre.

"När du har en väg runt kvantfluktuationer, din väg kan bara göras bättre och bättre, sa Lehnert, även professor adjoint vid institutionen för fysik vid CU Boulder.

HAYSTAC leds av Yale och är ett partnerskap med JILA och University of California, Berkeley.

Kvantlagar

Daniel Palken, den första författaren till den nya tidningen, förklarade att det som gör axionen så svår att hitta är också det som gör den till en så idealisk kandidat för mörk materia – den är lätt, bär ingen elektrisk laddning och interagerar nästan aldrig med normal materia.

"De har inte några av de egenskaper som gör en partikel lätt att upptäcka, sa Palken, som tog sin Ph.D. från JILA 2020

Men det finns ett guldkant:om axioner passerar genom ett tillräckligt starkt magnetfält, ett litet antal av dem kan förvandlas till vågor av ljus – och det är något som forskare kan upptäcka. Forskare har inlett försök att hitta dessa signaler i kraftfulla magnetfält i rymden. HAYSTAC-experimentet, dock, håller fötterna planterade på jorden.

Projektet, som publicerade sina första resultat 2017, använder en ultrakall anläggning på Yale campus för att skapa starka magnetfält, försök sedan upptäcka signalen om axioner som förvandlas till ljus. Det är ingen lätt sökning. Forskare har förutspått att axioner kan uppvisa ett extremt brett spektrum av teoretiska massor, som var och en skulle producera en signal med olika ljusfrekvens i ett experiment som HAYSTAC. För att hitta den verkliga partikeln, sedan, teamet kan behöva gå igenom ett stort antal möjligheter – som att ställa in en radio för att hitta en singel, svag station.

"Om du försöker borra ner till dessa riktigt svaga signaler, det kan ta dig tusentals år, sa Palken.

Några av de största hindren som laget står inför är själva kvantmekanikens lagar – nämligen Heisenbergs osäkerhetsprincip, vilket begränsar hur noggranna forskare kan vara i sina observationer av partiklar. I detta fall, teamet kan inte exakt mäta två olika egenskaper hos ljuset som produceras av axioner samtidigt.

HAYSTAC-teamet, dock, har landat på ett sätt att glida förbi dessa oföränderliga lagar.

Skiftande osäkerheter

Tricket handlar om att använda ett verktyg som kallas en Josephson parametrisk förstärkare. Forskare vid JILA utvecklade ett sätt att använda dessa små enheter för att "pressa" ljuset de fick från HAYSTAC-experimentet.

Palken förklarade att HAYSTAC-teamet inte behöver detektera båda egenskaperna hos inkommande ljusvågor med precision – bara en av dem. Squeezing drar fördel av det genom att flytta osäkerheter i mätningar från en av dessa variabler till en annan.

"Klämning är bara vårt sätt att manipulera det kvantmekaniska vakuumet för att sätta oss själva i en position att mäta en variabel mycket bra, " sa Palken. "Om vi ​​försökte mäta den andra variabeln, vi skulle upptäcka att vi skulle ha väldigt lite precision."

För att testa metoden, forskarna gjorde ett försök på Yale för att leta efter partikeln över ett visst intervall av massor. De hittade det inte, men experimentet tog halva tiden som det brukar, sa Backes.

"Vi gjorde en 100-dagars datakörning, " sa hon. "Normalt, denna uppsats skulle ha tagit oss 200 dagar att slutföra, så vi sparade en tredjedel av ett år, vilket är ganska otroligt."

Lehnert tillade att gruppen är ivriga att tänja på dessa gränser ännu längre - att komma på nya sätt att gräva efter den ständigt svårfångade nålen.

"Det finns mycket kött kvar på benet för att få idén att fungera bättre, " han sa.