Έχει περάσει σχεδόν ένας αιώνας από τότε που προτάθηκε για πρώτη φορά η σκοτεινή ύλη για να εξηγήσει την κίνηση των σμήνων γαλαξιών, αλλά οι φυσικοί ακόμα δεν γνωρίζουν από τι αποτελείται.
Ερευνητές σε όλο τον κόσμο έχουν κατασκευάσει δεκάδες ανιχνευτές με την ελπίδα να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη, ένας από τους οποίους είναι το HAYSTAC. Όμως, παρά τις δεκαετίες πειραματικών προσπαθειών, οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη εντοπίσει την αναλογία της σκοτεινής ύλης.
Μέχρι στιγμής, η αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη έχει λάβει μια απίθανη ώθηση από τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην έρευνα κβαντικών υπολογιστών. Σε μια νέα εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, η ομάδα HAYSTAC περιγράφει πώς χρησιμοποίησαν ένα μικρό κβαντικό τέχνασμα για να διπλασιάσουν την ταχύτητα με την οποία ο ανιχνευτής μπορεί να αναζητήσει τη σκοτεινή ύλη. Το αποτέλεσμα προσθέτει μια τόσο αναγκαία ώθηση ταχύτητας στο κυνήγι αυτού του μυστηριώδους σωματιδίου.
Υπάρχουν αδιάσειστα στοιχεία από την αστροφυσική και την κοσμολογία ότι μια άγνωστη ουσία που ονομάζεται σκοτεινή ύλη αποτελεί περισσότερο από το 80% της ύλης στο σύμπαν. Οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν προτείνει δεκάδες νέα θεμελιώδη σωματίδια που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη. Αλλά για να προσδιορίσουν ποια από αυτές τις θεωρίες είναι αληθινή, οι ερευνητές πρέπει να δημιουργήσουν διαφορετικούς ανιχνευτές για να ελέγξουν τον καθένα.
Μια εξέχουσα θεωρία προτείνει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια, τα οποία συλλογικά συμπεριφέρονται σαν ένα αόρατο κύμα που ταλαντώνεται στο διάστημα με μια πολύ συγκεκριμένη συχνότητα. Οι ανιχνευτές Axion, συμπεριλαμβανομένου του HAYSTAC, λειτουργούν σαν ραδιοφωνικοί δέκτες, αλλά αντί να μετατρέπουν τα ραδιοκύματα σε ήχο, επιδιώκουν να μετατρέψουν τα κύματα του άξονα σε ηλεκτρομαγνητικά. Συγκεκριμένα, οι ανιχνευτές axion μετρούν δύο ποσότητες που ονομάζονται τετραγωνισμό του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Αυτά τα τετράγωνα είναι δύο διαφορετικοί τύποι ταλαντώσεων σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που θα εμφανιζόταν παρουσία αξόνων.
Το κύριο πρόβλημα στην αναζήτηση των αξόνων είναι ότι κανείς δεν γνωρίζει τη συχνότητα του υποθετικού κύματος άξονα. Οι επιστήμονες συντονίζουν τους ανιχνευτές τους σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων σε διακριτά βήματα. Κάθε βήμα μπορεί να καλύψει μόνο ένα πολύ μικρό εύρος πιθανών συχνοτήτων άξονα. Αυτό το μικρό εύρος είναι το εύρος ζώνης του ανιχνευτή.
Το σήμα του άξονα - ακόμη και στους πιο ευαίσθητους ανιχνευτές - θα ήταν εξαιρετικά ασθενές σε σύγκριση με το στατικό από τυχαίες ηλεκτρομαγνητικές διακυμάνσεις, που οι φυσικοί αποκαλούν θόρυβο. Όσο περισσότερος θόρυβος, τόσο περισσότερος πρέπει να είναι ο ανιχνευτής σε κάθε βήμα εγκατάστασης για να ακούσει το σήμα άξονα.
Επίσης ενδιαφέρον:
- Οι Γερμανοί θα δημιουργήσουν έναν κβαντικό υπολογιστή βασισμένο σε υπεραγώγιμα qubits
- Οι επιστήμονες αναπτύσσουν έναν νέο τύπο οπτικού κβαντικού υπολογιστή
Ο ανιχνευτής είναι ρυθμιζόμενος μόνο από 88 έως 108 megahertz (ένα megahertz ισούται με ένα εκατομμύριο hertz). Η συχνότητα των αξόνων, αντίθετα, μπορεί να είναι από 300 έως 300 δισεκατομμύρια Hertz. Με την ταχύτητα με την οποία λειτουργούν οι ανιχνευτές σήμερα, θα μπορούσαν να χρειαστούν περισσότερα από 10 χρόνια για να βρεθούν αξιόνια ή για να αποδειχθεί ότι δεν υπάρχουν.
Ειδικά υπεραγώγιμα κυκλώματα που χρησιμοποιούνται στον κβαντικό υπολογισμό μπορούν να βοηθήσουν τους ανιχνευτές να φιλτράρουν τον θόρυβο που μπορεί να κρύψει το σήμα του άξονα.
Το 2012, η ομάδα HAYSTAC αποφάσισε να επιταχύνει την αναζήτηση για axions κάνοντας ό,τι είναι δυνατό για να μειώσει τον θόρυβο. Αλλά το 2017, έτρεξαν σε ένα θεμελιώδες ελάχιστο όριο θορύβου λόγω ενός νόμου της κβαντικής φυσικής που είναι γνωστός ως η αρχή της αβεβαιότητας.
Η αρχή της αβεβαιότητας δηλώνει ότι είναι αδύνατο να γνωρίζετε τις ακριβείς τιμές ορισμένων φυσικών μεγεθών ταυτόχρονα - για παράδειγμα, δεν μπορείτε να γνωρίζετε τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου ταυτόχρονα. Θυμηθείτε ότι οι ανιχνευτές αξόνων αναζητούν ένα άξονα μετρώντας δύο τετράγωνα - αυτούς τους ειδικούς τύπους ταλαντώσεων ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Η αρχή της αβεβαιότητας απαγορεύει την ακριβή γνώση και των δύο τετραγωνισμών, προσθέτοντας μια ελάχιστη ποσότητα θορύβου στις ταλαντώσεις του τετραγωνισμού.
Στους συμβατικούς ανιχνευτές, ο κβαντικός θόρυβος κρύβει και τα δύο τετράγωνα εξίσου λόγω της αρχής της αβεβαιότητας. Αυτός ο θόρυβος δεν μπορεί να εξαλειφθεί, αλλά με τα κατάλληλα εργαλεία μπορεί να ελεγχθεί. Η ομάδα ανέπτυξε έναν τρόπο παράκαμψης του κβαντικού θορύβου στον ανιχνευτή HAYSTAC, μειώνοντας την επίδρασή του σε ένα τετράγωνο και αυξάνοντας την επίδρασή του σε ένα άλλο. Αυτή η μέθοδος επεξεργασίας θορύβου ονομάζεται κβαντική συμπίεση.
Η ομάδα HAYSTAC ανέλαβε το έργο της εφαρμογής συμπίεσης στον ανιχνευτή, χρησιμοποιώντας τεχνολογία υπεραγώγιμου κυκλώματος δανεισμένη από την έρευνα κβαντικών υπολογιστών. Στο τελευταίο τους αποτέλεσμα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν συμπίεση για να διπλασιάσουν την απόδοση του HAYSTAC, επιτρέποντάς τους να αναζητούν άξιον δύο φορές πιο γρήγορα. Μια μόνο κβαντική συμπίεση δεν είναι αρκετή για να σαρώσει όλους τους πιθανούς άξονες συχνοτήτων σε εύλογο χρόνο. Αλλά ο διπλασιασμός της ταχύτητας σάρωσης είναι ένα μεγάλο βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση.
Κανείς δεν ξέρει αν υπάρχουν axions ή αν θα λύσουν το μυστήριο της σκοτεινής μητέρας, αλλά χάρη σε αυτήν την απροσδόκητη εφαρμογή της κβαντικής τεχνολογίας, είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στην απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις.
Διαβάστε επίσης:
- Οι φυσικοί θα ψάξουν για κβαντική επιβράδυνση του χρόνου μέσα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα
- Οι κβαντικοί υπολογιστές της IBM ολοκληρώνουν τώρα ορισμένες εργασίες σε ώρες αντί για μήνες