Hittade ett sätt att söka efter axioner som övervinner kvantfluktuationer

Ett team av forskare har använt en innovativ teknik som kallas "kvantkomprimering" för att avsevärt

skynda på sökandet efter en kandidat för mörk materia i laboratoriet. Resultat publicerade i tidskriftenNatur, rör otroligt lätt och stillaoupptäckt partikel - axion. Enligt teorin är axioner förmodligen miljarder eller biljoner gånger mindre än elektroner och kan ha skapats i stort antal under Big Bang. Dessa egenskaper är tillräckliga för att potentiellt förklara förekomsten av mörk materia.

Men att hitta denna lovande partikel är alltär som att leta efter en kvantnål i en stor höstack. Och ändå, i denna process är snabba framsteg möjliga. Forskare i ett projekt som heter Haloscope at Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) rapporterar att de har förbättrat sin jakteffektivitet genom att övervinna ett grundläggande hinder infört av termodynamikens lagar. Forskargruppen inkluderar forskare från University of Colorado i Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST).

HAYSTAC - en sensor avsedd för sökningaraxionisk mörk materia. Den utvecklades av forskare från Yale University och är utformad för att begränsa sökningen efter partiklar av svårfångad mörk materia, som kan stå för mer än 80% av den totala mängden materia i universum. Och det mest intressanta i det här fallet är att HAYSTAC-detektorn är utformad för att söka efter mörk materia i form av axioner, subatomära partiklar som nu bara finns i teorin och som man söker efter i flera experiment, inklusive Axion Dark Matter Experimentis. .

Den nya metoden gör det möjligt för forskare att bli bättreför att skilja de otroligt svaga signalerna från möjliga axioner från det slumpmässiga bruset som finns i naturen på extremt små skalor, ibland kallade kvantfluktuationer. Enligt studieförfattaren Konrad Lehnert, en NIST-forskare på JILA, är lagets chanser att hitta axionen under de närmaste åren fortfarande ungefär lika med att vinna lotteriet. Men dessa chanser blir bara bättre.

Daniel Palken, medförfattare till den nya artikeln, förklarade,att det som gör axionen så svår att hitta gör den till en idealisk kandidat för mörk materia - den är lätt, bär ingen elektrisk laddning och interagerar nästan aldrig med normal materia.

Några av de största hindren somforskare kolliderar, är själva kvantmekanikens lagar, nämligen Heisenbergs osäkerhetsprincip. Han begränsar forskarnas noggrannhet i deras partikelobservationer. I det här fallet kan teamet inte noggrant mäta två olika egenskaper hos ljuset som produceras av axionerna samtidigt.

HAYSTAC-teamet lyckades dock kringgå dessaoföränderliga lagar. Allt handlar om att använda ett instrument som heter Josephsons parametriska förstärkare. Forskare på JILA har utvecklat ett sätt att använda dessa små enheter för att "pressa" ljuset de fick från HAYSTAC-experimentet. Fysiker behöver inte exakt bestämma båda egenskaperna för inkommande ljusvågor - bara en av dem. Kompression utnyttjar detta genom att flytta mätosäkerheter från en av dessa variabler till den andra.

För att testa denna metod genomförde forskarnaen provkörning vid Yale University för att hitta en partikel inom ett specifikt massområde. Enligt forskare hittade de inte det, men experimentet tog halva tiden än vanligt.

Läs mer

Spår av raketbränsle hittades på Saturnusmånen Rhea. Var kommer det ifrån?

Det största isberget i världen kollapsade, fragment rusade norrut. Är det farligt?

Abort och vetenskap: vad kommer att hända med barnen som kommer att föda

Research Institute i Boulder, Colorado