Wetenschappers van Fermilab gebruiken kwantumtechnologie in de zoektocht naar donkere materie.

Al decenia, natuurkundigen hebben gezocht naar de ongrijpbare dingen, die geen licht uitstraalt, maar de overgrote meerderheid van de materie in het universum lijkt te vormen. Verschillende theoretische deeltjes zijn voorgesteld als kandidaten voor donkere materie, inclusief zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP's) en axions.

Aaron Chou van Fermilab leidt een multi-institutioneel consortiumconsortium om de technieken van kwantummetrologie toe te passen op het probleem van het detecteren van axion-donkere materie. Het project, die wetenschappers van Fermilab samenbrengt, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie, de Universiteit van Chicago, Universiteit van Colorado en Yale University, ontving onlangs $ 2,1 miljoen over twee jaar via het Quantum Information Science-Enabled Discovery (QuantISED) -programma van het Department of Energy, die de wetenschap wil bevorderen door middel van op kwantum gebaseerde technologieën.

Als de wetenschappers slagen, de ontdekking zou verschillende kosmologische mysteries tegelijk kunnen oplossen.

"Het zou de eerste keer zijn dat iemand enig direct bewijs van het bestaan ​​van donkere materie heeft gevonden, " zei Daniel Bowring van Fermilab, wiens werk aan deze inspanning wordt ondersteund door een DOE Office of Science Early Career Research Award. "Direct, we leiden het bestaan ​​van donkere materie af uit het gedrag van astrofysische lichamen. Er is zeer goed bewijs voor het bestaan ​​van donkere materie op basis van die waarnemingen, maar niemand heeft nog een deeltje gevonden."

De axion-zoekopdracht

Het vinden van een axion zou ook een discrepantie in de deeltjesfysica oplossen, het sterke CP-probleem. Deeltjes en antideeltjes zijn "symmetrisch" ten opzichte van elkaar:ze vertonen spiegelbeeldgedrag in termen van elektrische lading en andere eigenschappen.

De sterke kracht – een van de vier fundamentele natuurkrachten – gehoorzaamt aan de CP-symmetrie. Maar er is geen reden, tenminste in het standaardmodel van de natuurkunde, waarom het zou moeten. Het axion werd voor het eerst voorgesteld om uit te leggen waarom dat zo is.

Het vinden van een axion is een delicate onderneming, zelfs in vergelijking met andere zoekopdrachten naar donkere materie. De massa van een axion is verwaarloosbaar laag - ergens tussen een miljoenste en een duizendste van een elektronvolt. Ter vergelijking, de massa van een WIMP zal naar verwachting tussen een biljoen en een quadriljoen keer massiever zijn - in het bereik van een miljard elektronvolts - wat betekent dat ze zwaar genoeg zijn dat ze af en toe een signaal kunnen produceren door tegen de kernen van andere atomen te botsen. Om WIMP's te zoeken, wetenschappers vullen detectoren met vloeibaar xenon (bijvoorbeeld in het LUX-ZEPLIN experiment met donkere materie in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota) of germaniumkristallen (in het SuperCDMS Soudan-experiment in Minnesota) en zoek naar aanwijzingen voor een dergelijke botsing.

"Dat kan niet met axions omdat ze zo licht zijn, " zei Bowring. "Dus de manier waarop we naar axions zoeken is fundamenteel anders dan de manier waarop we naar massievere deeltjes zoeken."

Wanneer een axion een sterk magnetisch veld tegenkomt, het zou - althans in theorie - een enkel foton met microgolffrequentie moeten produceren, een deeltje licht. Door dat foton te detecteren, wetenschappers zouden het bestaan ​​van axions moeten kunnen bevestigen. Het Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) aan de Universiteit van Washington en het HAYSTAC-experiment aan Yale proberen precies dat te doen.

Die experimenten gebruiken een sterke supergeleidende magneet om axionen om te zetten in fotonen in een microgolfholte. De holte kan worden afgestemd op verschillende resonantiefrequenties om de interactie tussen het fotonveld en de axionen te versterken. Een microgolfontvanger detecteert dan het signaal van fotonen dat het resultaat is van de interactie. Het signaal wordt door een versterker geleid, en wetenschappers zoeken naar dat versterkte signaal.

"Maar er is een fundamentele kwantumlimiet aan hoe goed een versterker kan zijn, ' zei Bowring.

Fotonen zijn alomtegenwoordig, die een hoge mate van ruis introduceert die moet worden gefilterd uit het signaal dat in de microgolfholte wordt gedetecteerd. En bij hogere resonantiefrequenties, de signaal-ruisverhouding wordt steeds slechter.

Zowel Bowring als Chou onderzoeken hoe ze technologie kunnen gebruiken die is ontwikkeld voor kwantumcomputers en informatieverwerking om dit probleem te omzeilen. In plaats van het signaal te versterken en te scheiden van de ruis, ze willen nieuwe soorten axiondetectoren ontwikkelen die fotonen heel precies tellen - met qubits.

Het qubit-voordeel:

In een kwantumcomputer informatie wordt opgeslagen in qubits, of kwantumbits. Een qubit kan worden opgebouwd uit een enkel subatomair deeltje, zoals een elektron of een foton, of van gemanipuleerde metamaterialen zoals supergeleidende kunstmatige atomen. Het ontwerp van de computer maakt gebruik van de twee-toestanden kwantumsystemen van de deeltjes, zoals de spin van een elektron (omhoog of omlaag) of de polarisatie van een foton (verticaal of horizontaal). En in tegenstelling tot klassieke computerbits, die een van de slechts twee toestanden hebben (één of nul), qubits kunnen ook bestaan ​​in een kwantumsuperpositie, een soort optelling van de twee kwantumtoestanden van het deeltje. Deze functie heeft talloze potentiële toepassingen in kwantumcomputing die natuurkundigen net beginnen te verkennen.

In de zoektocht naar axions, Bowring en Chou gebruiken qubits. Voor een traditionele op antenne gebaseerde detector om een ​​foton op te merken dat door een axion wordt geproduceerd, het moet het foton absorberen, het vernietigen in het proces. een qubit, anderzijds, kan vele malen met het foton interageren zonder het te vernietigen. Daarom, de op qubit gebaseerde detector geeft de wetenschappers een veel grotere kans om donkere materie te spotten.

"De reden dat we kwantumtechnologie willen gebruiken, is dat de kwantumcomputergemeenschap al deze apparaten heeft moeten ontwikkelen die een enkel microgolffoton kunnen manipuleren, " zei Chou. "We doen ongeveer hetzelfde, behalve dat een enkel foton met informatie dat in deze container is opgeslagen, niet iets is dat iemand erin heeft gestopt als onderdeel van de berekening. Het is iets dat de donkere materie erin heeft gestopt."

Lichtreflectie

Het gebruik van een qubit om een ​​door axion geproduceerd foton te detecteren, brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee voor het project. In veel kwantumcomputers qubits worden opgeslagen in holtes gemaakt van supergeleidende materialen. De supergeleider heeft sterk reflecterende wanden die een foton effectief lang genoeg opsluiten om er berekeningen mee uit te voeren. Maar je kunt geen supergeleider gebruiken in de buurt van krachtige magneten zoals die worden gebruikt in de experimenten van Bowring en Chou.

"De supergeleider is gewoon geruïneerd door magneten, " zei Chou. Momenteel, ze gebruiken koper als ersatzreflector.

"Maar het probleem is bij deze frequenties zal het koper een enkel foton voor slechts 10 opslaan, 000 bounces in plaats van, zeggen, een miljard stuitert van de spiegels, "zei hij. "Dus we kunnen deze fotonen niet zo lang in de buurt houden voordat ze worden geabsorbeerd."

En dat betekent dat ze niet lang genoeg blijven hangen om als signaal te worden opgepikt. Dus de onderzoekers ontwikkelen een andere, betere fotonencontainer.

"We proberen een holte te maken van zeer verliesarme kristallen, ' zei Cho.

Denk aan een ruit. Als het licht erop valt, sommige fotonen zullen erop stuiteren, en anderen zullen passeren. Plaats een ander stuk glas achter de eerste. Sommige van de fotonen die door de eerste zijn gegaan, zullen weerkaatsen op de tweede, en anderen zullen door beide stukken glas gaan. Voeg een derde laag glas toe, en een vierde, enzovoort.

"Hoewel elke afzonderlijke laag op zichzelf niet zo reflecterend is, de som van de reflecties van alle lagen geeft je uiteindelijk een redelijk goede reflectie, "Zei Chou. "We willen een materiaal maken dat licht lang vasthoudt."

Bowring ziet het gebruik van quantum computing-technologie in de zoektocht naar donkere materie als een kans om over de grenzen heen te reiken die verschillende disciplines vaak uit elkaar houden.

"Je zou je kunnen afvragen waarom Fermilab betrokken zou willen zijn bij kwantumtechnologie als het een laboratorium voor deeltjesfysica is, "zei hij. "Het antwoord is, althans gedeeltelijk, dat kwantumtechnologie ons in staat stelt deeltjesfysica beter te doen. Het is logisch om die drempels te verlagen."