Ще бъде ли разгадана голямата загадка на Вселената: учените са създали квантов “кристал” за търсене на тъмна материя

С помощта на нов детектор физиците се надяват да разгадаят една от най -големите загадки на Вселената, а именно да открият частиците на тъмната материя. Разработеният квантов “кристал” може да улавя недостъпни досега честоти, което би трябвало да помогне за откриването на такива предполагаеми частици на тъмната материя като аксионите и „тъмните“ фотони. Резултатите от новото изследване са публикувани в списанието Science.

Американски учени са създали двуизмерен квантов кристал от 150 заплетени берилиеви йони с размери само 200 микрометра, който е десет пъти по-чувствителен от атомните сензори (става въпрос за сензорите за радиочестотно електромагнитно поле на базата на атомите на Ридберг, разработени от учени от Националния институт по стандарти и технологии на САЩ (NIST)). Той може да се настройва на честоти, които на теория би трябвало да излъчват едни от предполагaемите частици на тъмната материя – аксионите и „тъмните“ фотони и системата може да улавя сигнали, които досега са били недостъпни за други съществуващи сензори. Авторите отбелязват, че работата на кристала зависи от два много необичайни физични процеса: квантово заплитане и „обръщането на времето“.

“Такива кристали ще могат да откриват частици от определени видове тъмна материя, включително аксиони и “тъмни фотони”, които могат да взаимодействат с обикновената материя, използвайки електрослаби взаимодействия. Резултатът трябва да бъде сигнал, чиято честота ще зависи от масата на частици на тъмната материя. “- отбеляза един от авторите на изследването, изследователят от Националния институт по стандарти и технологии на САЩ Джон Болинджър.

Експериментът се провежда в Националния институт по стандарти и технологии на САЩ (NIST). Учените, участващи в експеримента вярват, че улавянето на истински аксион ще бъде ключът към разгадаването на една от най -големите загадки на Вселената – природата на тъмната материя.

Учените потвърдиха съществуването на тъмната материя, забелязвайки нейното огромно гравитационно влияние върху „нормалната“ барионна материя, съставляваща нашите тела, планети и звезди. Предполага се, че тя е около пет пъти повече от обичайната материя, но не излъчва никакви известни на хората сигнали, които биха позволили тя да бъде изследвана. Учените не се съмняват в нейното съществуването, но нейната природа и свойства все повече се превръщат в обект на ожесточени научни спорове. Факт е, че през последните две десетилетия изследователите не са открили никакви намеци, че тя се състои от така наречените частици WIMP – свръхтежки и студени частици, които не се проявяват по никакъв начин, освен чрез привличане на видими клъстери от материя.

Неуспешното търсене на WIMP накара много космолози да предположат, че тъмната материя всъщност може да се състои от така наречените аксиони-свръхлеки частици, които са сходни по маса и свойства с неутрино. Първите търсения за тях също приключиха напразно, което породи още повече дискусии и алтернативни теории, които също трябва да бъдат проверени.

През лятото на миналата година писахме, че италиански физици, работещи с детектора на тъмна материя XENONT1, са получили първите „намеци“ за съществуването на аксиони. Аномалиите в получените резултати на детектора е можело да бъдат предизвикани от различни причини – от магнитния момент на неутрино, от разпада на неустойчивия изотоп на водорода тритий или от дългоочакваните аксиони, тоест хипотетичните свръхлеки частици на тъмната материя. Учените се надяваха, че последната хипотеза е най-вероятна, но потвърждение се очаква през следващите години след реконструкцията на детектора.

Сега теоретичният физик Ана Мария Рей в коментар за Vice подчертава, че основният пробив на екипа от NIST е постигането на квантова връзка между механичните и електромагнитните свойства на квантовия кристал. С помощта на „заплитане“, обяснява тя, учените са повишили чувствителността на новия сензор до ниво, недостъпно за конвенционалните системи.

“Ние използваме квантови инструменти и ресурси, предлагани само от квантовите системи, за да направим сондиране, което не е възможно с класическите инструменти”, отбелязва тя.

Квантовото заплитане възниква, когато квантовите състояния на частиците се свързвани и те не могат да се държат независимо. В някои случаи връзката между тях се поддържа дори на големи разстояния. В експеримента на NIST екипът е свързал две важни физични свойства на берилиевите йони, съставляващи кристала – механичните вибрации и спина (въртенето) .

Механичните вибрации се отнасят до колективното движение на берилиевите йони в една равнина, докато спинът се отнася до индивидуалното положение на йоните. Изследователите от NIST са успели да използват лазерни лъчи за установяване на квантова връзка между тези две свойства.

В „заплетено“ състояние кристалът теоретично би трябвало да е способен да възприема слаба електромагнитна вълна, генерирана от аксиона, в случай на взаимодействие с магнитното поле вътре в детектора. Тъй като аксионите засега съществуват само в теоретичните модели на тъмната материя, при експериментите за да тестват своя метод екипът е създавал напрежение, за да симулира електрическото поле, което един аксион би трябвало да може да създаде.

“Аксионът генерира електромагнитна вълна под формата на електрическо поле с определена честота. Ако нашите йони резонират с тази честота, тогава електрическото поле може да предизвика движение и ние можем да открием това движение много точно”, обяснява Рей.

Това движение е известно като „изместване“ (displacement). Квантовото заплитане позволява изместването да бъде фиксирано без смущенията и шума, които обикновено съществуват в такива системи. За да измери симулираното изместване екипът е трябвало да реши друг проблем, свързан с принципа на неопределеност на Хайзенберг (същността на принципа е следната: колкото по-точно се измерва една характеристика на дадена частица, толкова по -малко точно може да бъде измерена втората ). На практика това означава, че всеки опит да се наблюдава изместване в заплетена система ще води до изкривявания. Именно над отстраняването на този проблем са работили изследователите.

“Заплитането е фантастично; намалява шума, но ако искате да се възползвате от това заплитане, това е много сложно, защото когато го измервате, вие разрушавате вълновата функция, което добавя още повече шум и силно намалява всички предимства, които сте постигнали със заплитането “, – обяснява Ана Мария Рей.

Именно тук учените са използвали трика с „обръщането на времето“ . След като движението и спиновете на йоните са били вече свързани и се е подавал сигнал за изместване, учените отново са разплитали свойствата в процес, който е подобен на „преминаване в миналото“. Според Рей това не е пътуване във времето в буквалния смисъл, а форма на обръщане на времето в квантово-механична структура, известна като хамилтонова система.

Когато квантовото заплитане е изключено, в кристалната система отново възникват смущения, но информацията за изместването, настъпила по време на фазата на заплитане, вече се е отразила във въртенето на йони, подобно на печат в квантов паспорт. По този начин е можело да бъдат съхранени данните, които екипът не можел да получи в момента, когато йоните са били заплетени.

През следващите години екипът на NIST планира да подобри стабилността и чувствителността на квантовия кристал, но първият експеримент вече е показал възможността за създаване на нов тип сензор, способен да търси тъмна материя по честотите на аксионите. Готовият кристал ще бъде използван в изследвания, насочени за намиране на „тъмни“ частици, които на теория ни заобикалят навсякъде. Ако те могат да бъдат уловени, човечеството най-накрая ще разбере от какво се състои голяма част от Вселената.

Според изследователите от NIST ако се увеличи броя на заплетените йони до сто хиляди и се направи кристалът триизмерен, чувствителността на този детектор може да се увеличи хиляда пъти. Освен това учените предполагат, че този параметър може да се увеличи още няколко пъти, ако се подобри качеството на охлаждане на кристала и работата на други компоненти на инсталацията.

“Това ще открие нови направления в тази област, които ще изискват нови теории за тяхното обяснение. Това със сигурност може да се окаже изключително вълнуващо, тъй като ние в момента нямаме фундаментално разбиране за състава на Вселената”, резюмира Рей.