Bijna een eeuw lang, wetenschappers hebben gewerkt aan het ontrafelen van het mysterie van donkere materie - een ongrijpbare substantie die zich door het universum verspreidt en waarschijnlijk een groot deel van zijn massa uitmaakt, maar is tot nu toe onmogelijk gebleken om in experimenten te detecteren. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers heeft een innovatieve techniek genaamd "quantum squeezing" gebruikt om de zoektocht naar één kandidaat voor donkere materie in het laboratorium drastisch te versnellen.

De bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , centrum op een ongelooflijk lichtgewicht en tot nu toe onontdekt deeltje genaamd het axion. Volgens de theorie, axionen zijn waarschijnlijk miljarden tot triljoenen keren kleiner dan elektronen en zijn mogelijk in gigantische aantallen gecreëerd tijdens de oerknal - genoeg om mogelijk het bestaan ​​van donkere materie te verklaren.

Het vinden van dit veelbelovende deeltje, echter, is een beetje als zoeken naar een enkele kwantumnaald in een hele grote hooiberg.

Wellicht is er enige verlichting in zicht. Onderzoekers van een project genaamd, passend, het Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) experiment meldt dat ze de efficiëntie van hun jacht hebben verbeterd voorbij een fundamenteel obstakel dat wordt opgelegd door de wetten van de thermodynamica. De groep omvat wetenschappers van JILA, een gezamenlijk onderzoeksinstituut van de University of Colorado Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Het is een verdubbeling van de snelheid van wat we eerder konden doen, " zei Kelly Backes, een van de twee hoofdauteurs van het nieuwe artikel en een afgestudeerde student aan de Yale University.

De nieuwe aanpak stelt onderzoekers in staat om de ongelooflijk zwakke signalen van mogelijke axionen beter te scheiden van de willekeurige ruis die op extreem kleine schaal in de natuur bestaat, soms "kwantumfluctuaties" genoemd. De kansen van het team om het axion de komende jaren te vinden zijn nog steeds ongeveer even waarschijnlijk als het winnen van de loterij, zei studie co-auteur Konrad Lehnert, een NIST-fellow bij JILA. Maar die kansen worden alleen maar beter.

"Als je eenmaal een manier hebt gevonden om kwantumfluctuaties te omzeilen, je pad kan alleen maar beter en beter worden gemaakt, " zei Lehnert, ook een professor adjunct in de afdeling Natuurkunde aan de CU Boulder.

HAYSTAC wordt geleid door Yale en is een samenwerking met JILA en de University of California, Berkeley.

Kwantumwetten

Daniël Palken, de co-eerste auteur van het nieuwe artikel, legde uit dat wat het axion zo moeilijk te vinden maakt, het ook zo'n ideale kandidaat voor donkere materie maakt:het is licht van gewicht, draagt ​​geen elektrische lading en interageert bijna nooit met normale materie.

"Ze hebben geen van de eigenschappen die een deeltje gemakkelijk te detecteren maken, " zei Palken, die zijn Ph.D. van JILA in 2020

Maar er is één zilveren randje:als axionen door een magnetisch veld gaan dat sterk genoeg is, een klein aantal van hen kan in lichtgolven veranderen - en dat is iets dat wetenschappers kunnen detecteren. Onderzoekers hebben pogingen ondernomen om die signalen te vinden in krachtige magnetische velden in de ruimte. Het HAYSTAC-experiment, echter, houdt zijn voeten op aarde.

Het project, die in 2017 zijn eerste bevindingen publiceerde, maakt gebruik van een ultrakoude faciliteit op de Yale-campus om sterke magnetische velden te creëren, probeer dan het signaal te detecteren van axions die in licht veranderen. Het is geen gemakkelijke zoektocht. Wetenschappers hebben voorspeld dat axionen een extreem breed scala aan theoretische massa's kunnen vertonen, die elk een signaal zouden produceren met een andere lichtfrequentie in een experiment als HAYSTAC. Om het echte deeltje te vinden, dan, het team moet misschien een groot aantal mogelijkheden doorzoeken, zoals het afstemmen van een radio om er een te vinden, zwak station.

"Als je probeert in te zoomen op deze echt zwakke signalen, het kan je uiteindelijk duizenden jaren kosten, ' zei Palken.

Enkele van de grootste obstakels waarmee het team wordt geconfronteerd, zijn de wetten van de kwantummechanica zelf, namelijk:het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, die beperkt hoe nauwkeurig wetenschappers kunnen zijn in hun waarnemingen van deeltjes. In dit geval, het team kan niet nauwkeurig twee verschillende eigenschappen van het door axions geproduceerde licht tegelijkertijd meten.

Het HAYSTAC-team, echter, is geland op een manier om voorbij die onveranderlijke wetten te glippen.

Verschuivende onzekerheden

De truc komt neer op het gebruik van een tool genaamd Josephson parametrische versterker. Wetenschappers van JILA ontwikkelden een manier om deze kleine apparaten te gebruiken om het licht dat ze kregen van het HAYSTAC-experiment te "knijpen".

Palken legde uit dat het HAYSTAC-team niet beide eigenschappen van inkomende lichtgolven met precisie hoeft te detecteren - slechts één ervan. Knijpen profiteert daarvan door onzekerheden in metingen van een van die variabelen naar een andere te verschuiven.

"Knijpen is gewoon onze manier om het kwantummechanische vacuüm te manipuleren om onszelf in staat te stellen één variabele heel goed te meten, Palken zei. "Als we probeerden de andere variabele te meten, we zouden ontdekken dat we heel weinig precisie zouden hebben."

Om de methode te testen, de onderzoekers deden een proefrun op Yale om het deeltje over een bepaald bereik van massa's te zoeken. Ze hebben het niet gevonden, maar het experiment kostte de helft van de tijd die het normaal zou doen, aldus Backes.

"We hebben een datarun van 100 dagen gedaan, "zei ze. "Normaal gesproken, dit papier zou ons 200 dagen hebben gekost om te voltooien, dus we hebben een derde van een jaar bespaard, dat is vrij ongelooflijk."

Lehnert voegde eraan toe dat de groep graag die grenzen nog verder wil verleggen - nieuwe manieren bedenken om naar die altijd ongrijpbare naald te graven.

"Er zit nog veel vlees op het bot om het idee alleen maar beter te laten werken, " hij zei.