Scannen op een signaal van donkere materie

Er is overtuigend bewijs uit de astrofysica en kosmologie dat een onbekende stof, donkere materie genaamd, meer dan 80 procent van de materie in het universum uitmaakt. Theoretische natuurkundigen hebben tientallen nieuwe fundamentele deeltjes voorgesteld die donkere materie zouden kunnen verklaren. Maar om te bepalen welke - indien aanwezig - van deze theorieën correct is, onderzoekers moeten verschillende detectoren bouwen om ze allemaal te testen.

Een prominente theorie stelt dat donkere materie bestaat uit tot nu toe hypothetische deeltjes die axions worden genoemd en die zich gezamenlijk gedragen als een onzichtbare golf die met een zeer specifieke frequentie door de kosmos oscilleert. Axion-detectoren — waaronder HAYSTAC — werken zoiets als radio-ontvangers, maar in plaats van radiogolven om te zetten in geluidsgolven, ze hebben tot doel axiongolven om te zetten in elektromagnetische golven. specifiek, axion-detectoren meten twee grootheden die elektromagnetische veldkwadratuur worden genoemd. Deze quadraturen zijn twee verschillende soorten oscillatie in de elektromagnetische golf die zouden worden geproduceerd als axionen zouden bestaan.

De grootste uitdaging bij het zoeken naar axionen is dat niemand de frequentie van de hypothetische axiongolf kent. Stel je voor dat je in een onbekende stad op zoek bent naar een bepaald radiostation door je een weg door de FM-band te banen, één frequentie tegelijk. Axion-jagers doen ongeveer hetzelfde:ze stemmen hun detectoren in discrete stappen af ​​over een breed scala aan frequenties. Elke stap kan slechts een zeer klein bereik van mogelijke axionfrequenties dekken. Dit kleine bereik is de bandbreedte van de detector.

Bij het afstemmen van een radio moet je bij elke stap een paar seconden pauzeren om te zien of je de zender hebt gevonden die je zoekt. Dat is moeilijker als het signaal zwak is en er veel ruis is. Een axionsignaal - zelfs in de meest gevoelige detectoren - zou buitengewoon zwak zijn in vergelijking met statische elektriciteit door willekeurige elektromagnetische fluctuaties, die natuurkundigen ruis noemen. Hoe meer lawaai er is, hoe langer de detector bij elke afstemstap moet zitten om naar een axionsignaal te luisteren.

Helaas, onderzoekers kunnen er niet op rekenen dat de axion-uitzending na enkele tientallen draaibeurten van de radio wordt opgepikt. Een FM-radio stemt af van slechts 88 tot 108 megahertz (1 megahertz is 1 miljoen hertz). De axionfrequentie, daarentegen, kan ergens tussen 300 hertz en 300 miljard hertz liggen. Met het tempo waarin de detectoren van vandaag gaan, het vinden van het axion of bewijzen dat het niet bestaat kan meer dan 10 kosten, 000 jaar.

Knijpen in de kwantumruis

In het HAYSTAC-team, wij hebben niet zo'n geduld. Daarom wilden we in 2012 de zoektocht naar axion versnellen door al het mogelijke te doen om ruis te verminderen. Maar in 2017 liepen we tegen een fundamentele minimale geluidslimiet aan vanwege een wet van de kwantumfysica die bekend staat als het onzekerheidsprincipe.

Het onzekerheidsprincipe stelt dat het onmogelijk is om de exacte waarden van bepaalde fysieke grootheden tegelijkertijd te kennen - bijvoorbeeld, je kunt niet tegelijkertijd de positie en het momentum van een deeltje kennen. Bedenk dat axiondetectoren naar het axion zoeken door twee kwadraten te meten - die specifieke soorten elektromagnetische veldoscillaties. Het onzekerheidsprincipe verbiedt nauwkeurige kennis van beide kwadratuur door een minimale hoeveelheid ruis toe te voegen aan de kwadratuuroscillaties.

In conventionele axiondetectoren, de kwantumruis van het onzekerheidsprincipe verduistert beide kwadratuur in gelijke mate. Dit geluid kan niet worden geëlimineerd, maar met de juiste tools kan het worden gecontroleerd. Ons team heeft een manier bedacht om de kwantumruis in de HAYSTAC-detector te shufflen, het effect op de ene kwadratuur verminderen en het effect op de andere vergroten. Deze ruismanipulatietechniek wordt kwantumsqueezing genoemd.

In een poging onder leiding van afgestudeerde studenten Kelly Backes en Dan Palken, het HAYSTAC-team ging de uitdaging aan om knijpen in onze detector te implementeren, met behulp van supergeleidende circuittechnologie die is ontleend aan onderzoek naar kwantumcomputers. Kwantumcomputers voor algemene doeleinden zijn nog ver weg, maar ons nieuwe artikel laat zien dat deze knijptechnologie het zoeken naar donkere materie onmiddellijk kan versnellen.