Kvantové bity rekrutované k detekci temné hmoty měnící se ve světlo

Temná hmota může tvořit drtivou většinu hmoty ve vesmíru, ale je podivně stydlivé dát její přítomnost najevo. Fyzici nyní navrhli nový test k hledání známek dvou kandidátních částic pomocí bizarního světa kvantové technologie.

Běžná hmota – látka, která tvoří moře a hvězdy, lidi a planety a v podstatě vše, s čím každý den přicházíme do styku – tvoří pouze asi 15 procent veškeré hmoty ve vesmíru. Zbývajících 85 procent je nepolapitelná temná hmota.

Podle našich nejlepších modelů by temná hmota měla být všude kolem nás, ale málokdy interaguje se světlou nebo normální hmotou. To samozřejmě velmi ztěžuje odhalení, ale není to z nedostatku snahy. Fyzici prováděli experimenty po celá desetiletí a snažili se nahlédnout do těchto věcí, které, pokud by se někdy objevily, představovaly jeden z nejdůležitějších vědeckých objevů všech dob.

Nyní fyzici z Fermi Lab a University of Chicago navrhli nový typ experimentu, který by mohl hledat dvě hypotetické částice, které byly navrženy jako kandidáti na temnou hmotu: temné fotony a axiony.

Temné fotony jsou teoretizovány jako „skrytý sektor“ ekvivalent běžných fotonů. Hlavní rozdíl je v tom, že tmavé fotony by pravděpodobně měly hmotnost, zatímco běžné ne. Mezitím se předpokládá, že Axiony proudí vesmírem ve vlnách a podstupují slabé interakce s elektřinou a magnetismem.

Každý z těchto kandidátů by se mohl potenciálně odhalit produkcí pravidelných fotonů tam, kde by žádné být neměly. Za správných okolností by mohl být tmavý foton spontánně přeměněn na normální foton, zatímco axiony mohly emitovat fotony prostřednictvím interakcí s magnetickým polem.

Akash Dixit, University of Chicago

Pozorování těchto bludných fotonů vyžaduje ten správný druh experimentu, a to je to, co tým na nové studii navrhl. Vědci vyvinuli zařízení, které vypíná fotony na pozadí a zesiluje všechny, které by mohly vzniknout interakcí temné hmoty.

Je to supravodivá mikrovlnná dutina, vyrobená z 99,9999 procenta čistého hliníku. Uvnitř je umístěna qubitová (kvantová bitová) anténa, která měří jakékoli fotony, které detekuje, až 50krát během 500mikrosekundové životnosti fotonu. Celá sada je ochlazena na -273,1 °C (-459,6 °F), jen zlomek nad absolutní nulou.

Reidar Hahn, Fermilab

Pokud qubit vrátí hodnotu 1, znamenalo by to přítomnost fotonu. Vícenásobná měření takového fotonu by měla vyloučit možnost falešně pozitivních výsledků. To znamená, že stále existuje nějaké pozadí hluk, ale je drasticky snížen z přibližně jednoho fotonu šumu s každým měřením až na přibližně jedno z každých 1000 měření.

Experiment ještě nebyl proveden, ale bylo by fascinující sledovat výsledky, pokud bude pokračovat. Tým říká, že by to mohlo být ještě přesnější, kdyby se teplota mohla ještě více zchladit, až na -273,14 °C (-459,66 °F). V této fázi by prakticky žádné fotony pozadí nezkazily signál.

Výzkum byl publikován v časopise Dopisy fyzické revize.

Zdroj: Fermi Lab