Wetenschappers van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de University of Chicago hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd op basis van kwantumtechnologie die de zoektocht naar donkere materie zal bevorderen. het onzichtbare spul dat 85% van alle materie in het universum uitmaakt.

De samenwerking heeft supergeleidende versies ontwikkeld van apparaten, qubits genaamd, die de zwakke signalen kunnen detecteren die worden uitgezonden door twee soorten hypothetische subatomaire deeltjes die zich in een onzichtbaar maar alomtegenwoordig deel van het universum zouden kunnen bevinden, de donkere sector. De ene wordt een axion genoemd, een toonaangevende kandidaat voor donkere materie. De andere heet een verborgen foton, een deeltje dat mogelijk interageert met de fotonen - lichtdeeltjes - van het zichtbare heelal.

De techniek die nu is gedemonstreerd door het Fermilab-University of Chicago-team is 36 keer gevoeliger voor de deeltjes dan de kwantumlimiet, een maatstaf voor conventionele kwantummetingen, zoeken naar donkere materie mogelijk maken 1, 000 keer sneller.

Licht gebruiken om donkere deeltjes te detecteren

Bij de techniek, de qubits zijn ontworpen om de fotonen te detecteren die zouden worden geproduceerd wanneer donkere materiedeeltjes interageren met een elektromagnetisch veld. Het voordeel van het gebruik van qubits als detectoren in plaats van de conventionele technologie ligt in de manier waarop ze interageren met fotonen.

De sleutel tot de gevoeligheid van de techniek is het vermogen om fout-positieve metingen te elimineren. Conventionele technieken vernietigen de fotonen die ze meten. Maar de nieuwe techniek kan het foton onderzoeken zonder het te vernietigen. Herhaaldelijk meten van hetzelfde foton, in de loop van zijn levensduur van 500 microseconden, biedt een verzekering tegen foutieve aflezingen.

"Een keer meten van het foton met de qubit duurt ongeveer 10 microseconden, dus we kunnen ongeveer 50 herhaalde metingen van hetzelfde foton doen tijdens zijn levensduur, " zei Akasha Dixit, een doctoraalstudent natuurkunde aan de Universiteit van Chicago.

Dixit en zijn co-auteurs, inclusief Aaron Chou van Fermilab, beschrijf hun techniek in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Experimenten met conventionele technieken waren gewoon lang niet wat ze moesten zijn om donkere materie met een hogere massa te kunnen detecteren, " zei Chou. "Het geluidsniveau is veel te hoog."

Er zijn twee manieren om een ​​experiment gevoeliger te maken voor de subtiele hints van nieuwe fysica waar de wetenschappers naar op zoek zijn. Een daarvan is om het signaal te versterken door grotere detectoren te maken. Een andere om de ruisniveaus te verminderen die de doelsignalen verbergen. Het team van Fermilab-University of Chicago deed het laatste.

"Het is een veel slimmere en goedkopere manier om dezelfde grote verbeteringen in gevoeligheid te krijgen, " zei Chou. "Nu, het niveau van de statische ruis is zo sterk verminderd dat je de kans hebt om de allereerste kleine wiebeltjes in je metingen te zien vanwege de zeer, heel klein signaal."

De techniek zal de zoektocht naar elke kandidaat voor donkere materie ten goede komen, omdat, wanneer onzichtbare deeltjes worden omgezet in fotonen, ze kunnen worden gedetecteerd.

"Waar de conventionele methode bij elke meting één foton aan ruis kan genereren, in onze detector krijg je één foton aan ruis per duizend metingen die je doet, ' zei Dixit.

Dixit en zijn collega's pasten hun techniek aan van een techniek die is ontwikkeld door atoomfysicus Serge Haroche, die voor zijn prestatie de Nobelprijs voor de natuurkunde 2012 deelde. Chou beschouwt de nieuwe techniek als onderdeel van de vooruitgang die begon met de ontwikkeling van niet-demolition-interactie in de atoomfysica en nu wordt geïmporteerd op het gebied van supergeleidende qubits.

Uitzoeken van axions en verborgen fotonen

Natuurkundigen hebben weinig vooruitgang geboekt bij het detecteren van axionen sinds hun bestaan ​​meer dan 30 jaar geleden werd voorgesteld.

"We weten dat er overal om ons heen een enorme hoeveelheid massa is die niet van hetzelfde materiaal is gemaakt als jij en ik, " zei Chou. "De aard van donkere materie is een echt meeslepend mysterie dat velen van ons proberen op te lossen."

Supergeleidende microgolfholten zijn essentieel voor de nieuwe techniek. De holte die in het experiment is gebruikt, is gemaakt van zeer zuiver - 99,9999% - aluminium. Bij extreem lage temperaturen, het aluminium wordt supergeleidend, een eigenschap die de levensduur van qubits verlengt, die door hun aard van korte duur zijn. De supergeleidende holte biedt een manier om het signaalfoton te accumuleren en op te slaan. de qubit, een antenne die in de holte wordt gestoken, meet vervolgens het foton.

"Het voordeel dat we krijgen is dat zodra jij - of donkere materie - een foton in de holte plaatst, het kan het foton lange tijd vasthouden, Dixit merkte op. "Hoe langer de holte het foton vasthoudt, hoe langer we moeten meten."

Dezelfde techniek kan verborgen fotonen en axionen vinden; de laatste zal een hoog magnetisch veld nodig hebben om te detecteren.

Als axions bestaan, het huidige experiment levert een één op tien op, 000 kans dat het een foton zou detecteren dat wordt geproduceerd door een interactie met donkere materie.

"Om ons vermogen om zo'n zeldzame gebeurtenis waar te nemen verder te verbeteren, de temperatuur van de fotonen moet worden verlaagd, " zei David Schuster, Universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Chicago en co-auteur van het nieuwe artikel. Het verlagen van de fotontemperatuur zal de gevoeligheid voor alle kandidaten voor donkere materie verder vergroten, inclusief verborgen fotonen.

De fotonen in het experiment zijn afgekoeld tot een temperatuur van ongeveer 40 millikelvin (min 459,60 graden Fahrenheit), net een tikje boven het absolute nulpunt. De onderzoekers willen zo laag gaan als de bedrijfstemperatuur van 8 millikelvin (min 459,66 graden Fahrenheit). Op dit punt, de omgeving voor het zoeken naar donkere materie zou brandschoon zijn, effectief vrij van achtergrondfotonen.

"Hoewel er zeker nog een weg te gaan is, er is reden om optimistisch te zijn, " zei Schuster, wiens onderzoeksgroep dezelfde technologie zal toepassen op quantum computing. "We gebruiken kwantuminformatiewetenschap om te helpen bij het zoeken naar donkere materie, maar dezelfde soort achtergrondfotonen zijn ook een potentiële foutbron voor kwantumberekeningen. Dus dit onderzoek heeft toepassingen die verder gaan dan de fundamentele wetenschap."

Schuster zei dat het project een mooi voorbeeld is van het soort samenwerking dat zinvol is tussen een universitair laboratorium en een nationaal laboratorium.

"Ons universiteitslab had de qubit-technologie, maar op de lange termijn door onszelf, we waren niet echt in staat om op het vereiste niveau naar donkere materie te zoeken. Dat is waar de samenwerking tussen nationaal laboratorium een ​​belangrijke rol speelt, " hij zei.

De opbrengst van deze interdisciplinaire inspanning kan enorm zijn.

"Er is gewoon geen manier om deze experimenten te doen zonder de nieuwe technieken die we hebben ontwikkeld, ' zei Cho.