Forskare vid Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory och University of Chicago har demonstrerat en ny teknik baserad på kvantteknik som kommer att främja sökandet efter mörk materia, de osynliga sakerna som står för 85% av all materia i universum.

Samarbetet har utvecklat supraledande versioner av enheter som kallas qubits som kommer att kunna upptäcka de svaga signalerna från två typer av hypotetiska subatomära partiklar som kan finnas i en osynlig men allestädes närvarande del av universum som kallas den mörka sektorn. Den ena kallas en axion, en ledande kandidat för mörk materia. Den andra kallas en dold foton, en partikel som möjligen interagerar med fotonerna - ljuspartiklar - i det synliga universum.

Tekniken som nu demonstreras av Fermilab-University of Chicago-teamet är 36 gånger mer känslig för partiklarna än kvantgränsen, ett riktmärke för konventionella kvantmätningar, möjliggör sökningar efter mörk materia för att fortsätta 1, 000 gånger snabbare.

Använda ljus för att upptäcka mörka partiklar

I tekniken, qubits är utformade för att detektera de fotoner som skulle produceras när partiklar av mörk materia interagerar med ett elektromagnetiskt fält. Fördelen med att använda qubits som detektorer istället för konventionell teknik ligger i hur de interagerar med fotoner.

Nyckeln till teknikens känslighet är dess förmåga att eliminera falskt positiva avläsningar. Konventionella tekniker förstör fotonerna de mäter. Men den nya tekniken kan sondera fotonen utan att förstöra den. Gör upprepade mätningar av samma foton, under sin livslängd på 500 mikrosekunder, ger försäkring mot felaktiga avläsningar.

"Att göra en mätning av fotonen en gång med qubit tar cirka 10 mikrosekunder, så att vi kan göra cirka 50 upprepade mätningar av samma foton under dess livstid, "sa Akash Dixit, doktorand i fysik vid University of Chicago.

Dixit och hans medförfattare, inklusive Fermilabs Aaron Chou, beskriv deras teknik i Fysiska granskningsbrev .

"Experiment med konventionella tekniker var nästan inte i närheten av vad de behövde vara för att vi skulle kunna upptäcka mörk massa axion, "Sa Chou." Ljudnivån är alldeles för hög. "

Det finns två sätt att göra ett experiment mer känsligt för de subtila antydningarna till ny fysik som forskarna letar efter. En är att öka signalen genom att göra större detektorer. En annan för att minska bullernivåerna som döljer målsignalerna. Fermilab-University of Chicago-teamet gjorde det senare.

"Det är ett mycket smartare och billigare sätt att få samma stora förbättringar av känsligheten, "Sa Chou." Nu, nivån på det statiska bruset har minskat med så mycket att du har en chans att faktiskt se de allra första små vickningarna i dina mätningar på grund av det mycket, mycket liten signal. "

Tekniken kommer att gynna sökandet efter någon kandidat för mörk materia eftersom, när osynliga partiklar omvandlas till fotoner, de kan upptäckas.

"Om den konventionella metoden kan generera en brusfoton vid varje mätning, i vår detektor får du en foton brus per tusen mätningar du gör, "Sa Dixit.

Dixit och hans kollegor anpassade sin teknik från en som utvecklats av atomfysikern Serge Haroche, som delade Nobelpriset i fysik 2012 för sin prestation. Chou ser den nya tekniken som en del av utvecklingen som började med utvecklingen av icke -molekylär interaktion i atomfysik och importeras nu till området för superledande qubits.

Ferrera ut axioner och dolda fotoner

Fysiker har gjort små framsteg när det gäller att upptäcka axioner sedan deras existens föreslogs för mer än 30 år sedan.

"Vi vet att det finns en enorm massa runt omkring oss som inte är gjord av samma saker som du och jag är gjorda av, "Sa Chou." Den mörka materiens natur är ett riktigt övertygande mysterium som många av oss försöker lösa. "

Superledande mikrovågshålrum är avgörande för den nya tekniken. Hålrummet som används i experimentet är tillverkat av mycket rent - 99,9999% - aluminium. Vid extremt låga temperaturer, aluminiumet blir supraledande, en egenskap som förlänger livslängden på qubits, som till sin natur är kortlivade. Den supraledande kaviteten ger ett sätt att ackumulera och lagra signalfoton. Qubit, en antenn in i hålrummet, mäter sedan fotonen.

"Fördelen vi får är att när du - eller mörk materia - sätter en foton i hålrummet, det kan hålla fotonen länge, "Dixit observerad." Ju längre hålrummet håller fotonen, ju längre vi måste göra en mätning. "

Samma teknik kan hitta dolda fotoner och axioner; den senare kommer att kräva ett högt magnetfält för att detektera.

Om axioner finns, det aktuella experimentet ger en en-i-10, 000 chans att den skulle upptäcka en foton producerad av en interaktion mellan mörk materia.

"För att ytterligare förbättra vår förmåga att känna en så sällsynt händelse, temperaturen på fotonerna måste sänkas, "sa David Schuster, University of Chicago docent i fysik och medförfattare till det nya papperet. Att sänka fotontemperaturen kommer att öka känsligheten för alla kandidater till mörk materia ytterligare, inklusive dolda fotoner.

Fotonerna i experimentet har kylts till en temperatur på cirka 40 millikelvin (minus 459,60 grader Fahrenheit), bara en touch över absolut noll. Forskarna skulle vilja gå så lågt som driftstemperaturen på 8 millikelvin (minus 459,66 grader Fahrenheit). Vid denna tidpunkt, miljön för att söka efter mörk materia skulle vara obefläckad, effektivt fri från bakgrundsfoton.

"Även om det definitivt fortfarande finns några vägar att gå, det finns anledning att vara optimistisk, "sa Schuster, vars forskargrupp kommer att tillämpa samma teknik för kvantberäkning. "Vi använder kvantinformationsvetenskap för att hjälpa den mörka materien att söka, men samma typ av bakgrundsfoton är också en potentiell felkälla för kvantberäkningar. Så denna forskning har användningsområden utöver grundläggande vetenskap. "

Schuster sa att projektet ger ett bra exempel på den typ av samarbete som är vettigt att göra mellan ett universitetslabb och ett nationellt labb.

"Vårt universitetslabb hade qubit -tekniken, men på lång sikt själva vi kunde inte göra någon form av sökning av mörk materia på den nivå som behövs. Det är där det nationella lab-partnerskapet spelar en viktig roll, " han sa.

Utbetalningen av denna tvärvetenskapliga insats kan bli enorm.

"Det finns inget sätt att göra dessa experiment utan de nya tekniker som vi utvecklat, "Sa Chou.