“量子挤压”——一种寻找难以捉摸的暗物质的创新方法

HAYSTAC

艺术家对海斯塔克实验内部工作的描绘。信贷:史蒂文洞穴

近一个世纪以来,科学家们一直致力于揭开暗物质的神秘面纱。暗物质是一种难以捉摸的物质,它遍布宇宙,很可能构成了宇宙的大部分质量,但迄今为止还无法通过实验发现。现在,一组研究人员使用了一种名为“量子挤压”的创新技术,极大地加快了在实验室中寻找一种暗物质候选物质的速度。

研究结果发表在今天的杂志上自然中心是一种极其轻且尚未被发现的粒子,名为轴子。根据理论,轴子可能比电子小数十亿到数万亿倍,并且可能是在宇宙大爆炸数量巨大,足以解释暗物质的存在。

然而,寻找这种有希望的粒子有点像大海捞针。

可能会有一些缓解的迹象。一个项目的研究人员,确切地说,是耶鲁大学的光晕仪Axion冷暗物质(HAYSTAC)实验报告称,他们已经提高了搜寻效率,克服了热力学定律强加给他们的一个基本障碍。该团队包括来自JILA的科学家,JILA是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所(NIST)的联合研究所。

“这比我们以前的速度快了一倍,”这篇新论文的两名主要作者之一、哈佛大学的研究生凯利·巴克斯(Kelly Backes)说耶鲁大学

这种新方法使研究人员能够更好地将可能存在的轴子的微弱信号与自然界中存在的极小尺度的随机噪声(有时被称为“量子涨落”)分离开来。该研究的共同作者、JILA的NIST研究员Konrad Lehnert说,这个团队在未来几年内发现轴子的机会仍然像中彩票一样。但这种可能性只会越来越大。

“一旦你找到了绕过量子涨落的方法,你的路径就会变得越来越好,”莱纳特说,他也是科罗拉多大学博尔德分校物理系的客座教授。

HAYSTAC由耶鲁大学领导,是JILA和the的合作伙伴加州大学伯克利分校

量子的法律

丹尼尔·帕尔肯是这篇新论文的共同第一作者,他解释说,使轴子如此难以发现的原因同时也是使它成为暗物质的理想候选者的原因——它很轻,不带电荷,几乎从不与正常物质相互作用。

“它们没有任何让粒子容易被检测到的特性,”帕尔肯说,他在2020年获得了JILA的博士学位

但也有一线希望:如果轴子穿过足够强的磁场,其中一小部分可能会转化为光波——这是科学家们可以探测到的。研究人员已经开始努力在太空中强大的磁场中寻找这些信号。然而,海斯塔克实验却在地球上站稳了脚跟。

该项目于2017年公布了其第一个发现,它在耶鲁大学校园内使用了一个超冷设备来创造强磁场,然后试图探测轴子转变为光的信号。这不是一个简单的搜索。科学家们预测,轴子可以表现出非常大的理论质量范围,在像海斯塔克这样的实验中,每一个轴子都会产生不同频率的光信号。为了找到真正的粒子,这个团队可能必须在很大的可能性范围内搜寻——比如调整收音机来找到一个微弱的电台。

“如果你试图深入研究这些非常微弱的信号,可能要花上几千年,”帕尔肯说。

该团队面临的一些最大障碍是量子力学本身的定律——即海森堡不确定性原理,它限制了科学家观察粒子的准确性。在这种情况下,研究小组就不能同时精确测量由轴子产生的光的两种不同性质。

然而,HAYSTAC团队找到了一种避开这些不可改变法则的方法。

变化的不确定性

关键在于使用一种叫做约瑟夫森参数放大器的工具。JILA的科学家们开发了一种方法,利用这些小型设备来“挤压”HAYSTAC实验获得的光。

帕尔肯解释说,HAYSTAC团队不需要精确地检测入射光波的两种特性——只需要其中一种。挤压就是利用了这一点,将测量的不确定性从一个变量转移到另一个变量。

帕尔肯说:“挤压只是我们操纵量子力学真空的一种方式,使我们能够很好地测量一个变量。”“如果我们试图衡量其他变量,我们会发现我们的精确度非常低。”

为了验证这种方法,研究人员在耶鲁大学进行了一次试验,寻找质量在一定范围内的粒子。他们没有找到,但是这个实验只花了通常时间的一半,Backes说。

“我们进行了100天的数据运行,”她说。“通常,这篇论文需要200天才能完成,所以我们节省了三分之一的时间,这是非常不可思议的。”

Lehnert补充说,该小组渴望进一步推进这些边界——想出新的方法来挖掘永远难以捉摸的针头。

他说:“要让这个想法更好地发挥作用,还有很多工作要做。”

2021年2月10日自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03226 - 7

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