Büyük galaksi kümeleri hem karanlık hem de normal madde içerir. Tüm bu malzemenin muazzam yerçekimi, kümenin etrafındaki alanı bükerek, kümenin arkasında bulunan nesnelerden gelen ışığın bozulmasına ve büyütülmesine neden olur. Bu fenomene yerçekimsel mercekleme denir. NASA / ESA
Karanlık maddenin galaksi kümelerinin hareketini açıklamak için ilk kez önerilmesinden yaklaşık bir asır sonra , fizikçilerin hala neyden yapıldığına dair hiçbir fikri yok.
Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, karanlık maddeyi keşfetme umuduyla düzinelerce dedektör inşa ettiler. Yüksek lisans öğrencisi olarak, uygun bir şekilde HAYSTAC (Yale Sensitive To Axion CDM'de Haloskop) olarak adlandırılan bu dedektörlerden birinin tasarlanmasına ve çalıştırılmasına yardımcı oldum . Ancak onlarca yıllık deneysel çabalara rağmen, bilim adamları karanlık madde parçacığını henüz tanımlayamadılar.
Şimdi, karanlık madde arayışı, kuantum hesaplama araştırmalarında kullanılan teknolojiden beklenmedik bir yardım aldı. Bir de yeni kağıt Nature dergisinde yayınlanan, benim HAYSTAC takımında Meslektaşlarım ve ben bizim dedektör karanlık madde arayabilirsiniz hızını ikiye katlamak için kuantum hile biraz eskiden nasıl açıklar. Elde ettiğimiz sonuç, bu gizemli parçacığın avına çok ihtiyaç duyulan bir hız artışı sağlıyor.
Şu anda Johns Hopkins Üniversitesi'nde yardımcı doçent olarak görev yapan eski Yale postdoc Danielle Speller, HAYSTAC dedektör montaj sürecini belgeliyor.
Karanlık Madde Sinyali Taranıyor
Astrofizik ve kozmolojiden, karanlık madde adı verilen bilinmeyen bir maddenin evrendeki maddenin yüzde 80'inden fazlasını oluşturduğuna dair ikna edici kanıtlar var . Teorik fizikçiler, karanlık maddeyi açıklayabilecek düzinelerce yeni temel parçacık önerdiler . Ancak bu teorilerden hangisinin (eğer varsa) doğru olduğunu belirlemek için, araştırmacıların her birini test etmek için farklı dedektörler inşa etmesi gerekiyor.
Önde gelen bir teori, karanlık maddenin, kozmos içinde çok spesifik bir frekansta salınan görünmez bir dalga gibi topluca davranan eksen adı verilen varsayımsal parçacıklardan oluştuğunu öne sürüyor . HAYSTAC dahil olmak üzere Axion dedektörleri , radyo alıcıları gibi çalışır, ancak radyo dalgalarını ses dalgalarına dönüştürmek yerine, eksen dalgalarını elektromanyetik dalgalara dönüştürmeyi amaçlarlar. Özellikle aksyon dedektörleri, elektromanyetik alan kareleri adı verilen iki miktarı ölçer . Bu kareler, eksenler mevcutsa üretilecek elektromanyetik dalgadaki iki farklı salınım türüdür.
Eksen arayışındaki ana zorluk, varsayımsal eksen dalgasının frekansını kimsenin bilmemesidir. Tanımadığınız bir şehirde, FM bandında her seferinde bir frekansta çalışarak belirli bir radyo istasyonunu ararken olduğunuzu hayal edin. Axion avcıları da hemen hemen aynı şeyi yaparlar: Dedektörlerini farklı adımlarla geniş bir frekans aralığı üzerinde ayarlarlar. Her adım, yalnızca çok küçük bir olası eksen frekansı aralığını kapsayabilir. Bu küçük aralık, dedektörün bant genişliğidir.
Bir radyoyu ayarlamak genellikle aradığınız istasyonu bulup bulmadığınızı görmek için her adımda birkaç saniye duraklamayı içerir. Sinyal zayıfsa ve çok fazla parazit varsa bu daha zordur. En hassas dedektörlerde bile bir eksen sinyali, fizikçilerin gürültü olarak adlandırdığı rastgele elektromanyetik dalgalanmalardan kaynaklanan statik ile karşılaştırıldığında olağanüstü derecede zayıf olacaktır. Ne kadar fazla gürültü olursa, bir eksen sinyalini dinlemek için detektörün her ayarlama adımında o kadar uzun süre oturması gerekir.
Ne yazık ki, araştırmacılar radyo kadranını birkaç düzine çevirdikten sonra axion yayınını alacaklarına güvenemiyorlar. Bir FM radyo yalnızca 88 ila 108 megahertz arasında melodiler (1 megahertz, 1 milyon hertz'dir). Aksyon frekansı, tersine, 300 hertz ile 300 milyar hertz arasında herhangi bir yerde olabilir. Neyse bugünün dedektörler Axion bulma veya sürebilir var olmadığını kanıtlayan gidiyorsun fazla 10.000 yıl .
Kuantum Gürültüsünü Sıkmak
HAYSTAC ekibinde o kadar sabırlı değiliz. 2012'de gürültüyü azaltmak için mümkün olan her şeyi yaparak eksen aramasını hızlandırmaya başladık. Ancak 2017'de , belirsizlik ilkesi olarak bilinen kuantum fiziği yasası nedeniyle kendimizi temel bir minimum gürültü sınırına karşı koşarken bulduk .
Belirsizlik ilkesi, belirli fiziksel büyüklüklerin tam değerlerini aynı anda bilmenin imkansız olduğunu belirtir - örneğin, bir parçacığın hem konumunu hem de momentumunu aynı anda bilemezsiniz. Eksen dedektörlerinin iki kareyi ölçerek ekseni aradığını hatırlayın - bu belirli elektromanyetik alan salınımları. Belirsizlik ilkesi, dört evreli salınımlara minimum miktarda gürültü ekleyerek her iki karenin kesin bilgisini yasaklar.
Geleneksel eksen dedektörlerinde, belirsizlik ilkesinden gelen kuantum gürültüsü her iki kareyi de eşit şekilde gizler. Bu gürültü ortadan kaldırılamaz, ancak doğru araçlarla kontrol edilebilir. Ekibimiz, HAYSTAC dedektöründeki kuantum gürültüsünü karıştırmanın bir yolunu bulup, bir karede etkisini azaltırken diğerindeki etkisini artırdı. Bu gürültü işleme tekniğine kuantum sıkıştırma denir .
Lisansüstü öğrenciler Kelly Backes ve Dan Palken liderliğindeki bir çabayla , HAYSTAC ekibi, kuantum hesaplama araştırmalarından ödünç alınan süper iletken devre teknolojisini kullanarak dedektörümüzde sıkma uygulama zorluğunu üstlendi. Genel amaçlı kuantum bilgisayarlar çok geride kaldı , ancak yeni makalemiz, bu sıkıştırma teknolojisinin karanlık madde arayışını anında hızlandırabileceğini gösteriyor.
Yale yüksek lisans öğrencisi Kelly Backes ve eski Colorado yüksek lisans öğrencisi Dan Palken, sıkışma durumu düzeninin parçalarını bir araya getiriyor.
Daha Büyük Bant Genişliği, Daha Hızlı Arama
Ekibimiz HAYSTAC dedektöründeki gürültüyü sıkıştırmayı başardı. Peki bunu axion aramasını hızlandırmak için nasıl kullandık?
Kuantum sıkıştırma, eksen dedektörü bant genişliği boyunca gürültüyü eşit şekilde azaltmaz. Bunun yerine, kenarlarda en büyük etkiye sahiptir . Radyonuzu 88.3 megahertz'e ayarladığınızı hayal edin, ancak istediğiniz istasyon aslında 88.1'de. Kuantum sıkıştırmayla, en sevdiğiniz şarkıyı bir istasyon ötede çalarken duyabileceksiniz.
Radyo yayıncılığı dünyasında bu bir felaket reçetesi olurdu, çünkü farklı istasyonlar birbirine karışırdı. Ancak aranacak tek bir karanlık madde sinyali ile daha geniş bant genişliği, fizikçilerin aynı anda daha fazla frekansı kapsayarak daha hızlı arama yapmasına olanak tanır. En son sonucumuzda HAYSTAC'ın bant genişliğini iki katına çıkarmak için sıkıştırma kullandık , bu da eksenleri daha önce yapabildiğimizden iki kat daha hızlı aramamıza izin verdi.
Tek başına kuantum sıkıştırma, makul bir sürede olası her eksen frekansını taramak için yeterli değildir. Ancak tarama oranını ikiye katlamak doğru yönde atılmış büyük bir adımdır ve kuantum sıkıştırma sistemimizde yapılacak daha fazla iyileştirmenin 10 kat daha hızlı tarama yapmamızı sağlayabileceğine inanıyoruz.
Eksenlerin var olup olmadığını veya karanlık maddenin gizemini çözüp çözmeyeceklerini kimse bilmiyor; ancak kuantum teknolojisinin bu beklenmedik uygulaması sayesinde, bu soruları yanıtlamaya bir adım daha yaklaştık.
Benjamin Brubaker , Colorado Boulder Üniversitesi'nde kuantum fiziği alanında doktora sonrası araştırmacıdır.
Bu makale The Conversation'dan Creative Commons lisansı altında yeniden yayınlanmıştır .
