|
Улучшение поиска темной материи
|
|
|
|
Ученые не могут наблюдать темную материю напрямую, поэтому, чтобы "увидеть" ее, они ищут сигналы о том, что она взаимодействовала с другой материей, создавая видимый фотон. Однако сигналы от темной материи невероятно слабы. Если ученые смогут сделать детектор частиц более восприимчивым к этим сигналам, они смогут увеличить вероятность обнаружения и сократить время на поиск. Один из способов добиться этого - стимулировать излучение фотонов.
|
|
|
|
Ученые из Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США и Чикагского университета сообщили о возможности усиления сигналов от волн темной материи в 2,78 раза с помощью новых квантовых методов. Эта технология демонстрирует, как достижения квантовой информатики могут быть применены не только к квантовым вычислениям, но и к новым физическим открытиям.
|
|
|
|
Этот потрясающий результат стал возможен благодаря программе исследований в области квантовой информатики Министерства энергетики США и фонду Хейзинга-Саймонса. Аспирант Чикагского университета Анкур Агравал провел это исследование для своей докторской диссертации под руководством ученого из лаборатории Фермилаб Аарона Чоу в сотрудничестве с членами группы профессора Дэвида Шустера из Чикагского университета. Результаты были недавно опубликованы в Physical Review Letters.
|
|
|
|
Для этого эксперимента исследователи сначала подготовили микроволновый резонатор в особом квантовом состоянии. Затем они использовали сверхпроводящие квантовые биты, или кубиты, для повышения чувствительности измерений в этом резонаторе, чтобы им было легче обнаруживать любые сигналы, указывающие на присутствие темной материи.
|
|
|
"Есть два способа ускорить эксперимент: вы можете собрать больше сигнала или уменьшить шум", - сказал Шустер. "В этом эксперименте мы использовали кубит для выполнения обоих задач: создания квантового состояния света, которое стимулирует образование фотонов, а затем с помощью кубита многократно измеряли точное количество фотонов, не уничтожая ни одного из них, чтобы устранить лишний шум".
|
|
|
|
Исследователи подготовили микроволновый резонатор, используя сверхпроводящие кубиты в так называемом фоковском состоянии. Эти квантовые фоковские состояния содержат строго определенное количество фотонов, и чем выше фоковское состояние, тем больше вероятность взаимодействия темной материи. При такой подготовке резонатора, когда темная материя проходит через стенку микроволнового резонатора, взаимодействие приводит к тому, что дополнительный фотон, созданный темной материей, попадает в резонатор или удаляется из него. Наличие на один фотон больше или на один фотон меньше указывает на то, что фотон был стимулирован темной материей.
|
|
|
|
"Этот эксперимент является прекрасной демонстрацией одной из первых вещей, которые мы узнаем о квантовых состояниях из курса квантовой механики, и результаты подтверждают то, что я узнал", - сказал Агравал.
|
|
|
|
Вторая часть эксперимента включала в себя разработку взаимодействия между кубитом и резонатором таким образом, чтобы уменьшить шум. На сверхвысоких частотах каждый фотон обладает небольшим количеством энергии, что делает его очень чувствительным к шуму окружающей среды. Чтобы свести к минимуму влияние тепловых фотонов на сигнал, исследователи охлаждают эту полость с помощью холодильника с разрежением, температура в котором составляет одну сотую Кельвина - в 100 раз холоднее, чем в открытом космосе.
|
|
|
|
Использование сверхпроводящих кубитов позволило им спроектировать взаимодействие таким образом, чтобы снизить уровень шума до чрезвычайно низкого уровня, тем самым повысив чувствительность.
|
|
|
|
"Для этого метода мы спроектировали взаимодействие кубит-фотон таким образом, чтобы фотон не разрушался в процессе измерения", - сказал Акаш Дикшит, ученый, входивший в исследовательскую группу Fermilab. "Это позволяет нам многократно измерять один и тот же фотон, что уменьшает влияние шума и повышает нашу чувствительность к этим редким событиям".
|
|
|
|
В целом, техника похожа на раскачивание ребенка на качелях. Если ребенок не раскачивается, вам нужно подтолкнуть его гораздо сильнее, чтобы заставить двигаться; но если качели уже раскачиваются, вам не нужно давить так сильно.
|
|
|
|
"Что мы делаем, так это используем электромагнитное поле в нашем микроволновом резонаторе или детекторе — "качели" — и заставляем его начать раскачиваться, чтобы ему было легче воспринимать толчки от проходящей мимо темной материи", - сказал Чоу. "Этот процесс стимулированного излучения на самом деле в точности соответствует тому, как работают лазеры".
|
|
|
|
Предыдущие эксперименты начинались с нулевого, или основного, поля внутри полости, что эквивалентно неподвижным качелям.
|
|
|
|
"Ученые могут использовать этот метод для повышения чувствительности, чтобы продвигать свои поиски темной материи, экономя время и ресурсы, а также для изучения других тайн фундаментальной науки", - сказал Агравал.
|
|
|
|
Источник
|
