Квантовые поиски неуловимой аксионной частицы темной материи

Исследователи Университета Аалто будут исследовать тайны темной материи с помощью квантового детектора беспрецедентной чувствительности.

В бескрайней тьме космоса скрывается невидимая материя. Его присутствие видно в ряби приливов и отливов галактик, но непосредственно оно никогда не наблюдалось. Какие тайны скрываются под поверхностью, зреют в глубине?

Физики уже давно выдвигают теории о составе темная материя, которого, как полагают, в пять раз больше, чем обычной материи. Среди конкурирующих гипотез одна частица стала многообещающим кандидатом: аксион.

Поиски аксионов Консорциумом DarkQuantum

Ученые из Университета Аалто приступили к шестилетнему проекту по поиску доказательств существования аксионов. Они сделают это в рамках недавно созданного консорциума под названием DarkQuantum вместе с исследователями из Университета Сарагосы, которые координируют проект, а также исследователями из Французского национального центра научных исследований, Технологического института Карлсруэ и других партнерских учреждений. .

Этот новый консорциум будет первым, кто будет использовать новейшие квантовые технологии для создания датчиков с беспрецедентной чувствительностью сканирования. 26 октября Европейский исследовательский совет выделил DarkQuantum 12,9 миллиона евро, из которых примерно 2 миллиона евро выделены старшему преподавателю и доценту Университета Аалто Сорину Параоану и его исследовательской группе по сверхпроводящим кубитам и схемам QED (KVANTTI).

Исследователи будут использовать квантовые технологии для разработки одного из самых чувствительных детекторов в мире, когда-либо созданных. Фото: Микко Раскинен/Университет Аалто

«Мы заглядываем в глубокую темную яму. Если он существует, то аксион выходит за рамки стандартной модели элементарных частиц», — говорит Параоану. «Такое наблюдение было бы сравнимо по значимости с открытием бозона Хиггса в начале 2010-х годов. Но, по крайней мере, с бозоном Хиггса они знали, с чего начать поиски!»

«Природа темной материи — одна из величайших загадок современной науки», — добавляет профессор Университета Сарагосы Игорь Гарсия Ирасторза, который также возглавляет консорциум DarkQuantum. «Если темная материя состоит из аксионов, у нас есть реальный шанс обнаружить ее с помощью этого проекта».

Хотя в прошлом предпринимались попытки наблюдать аксионы, эта последняя попытка будет использовать квантовые явления, чтобы позволить исследователям лучше фильтровать шум и повторять свои эксперименты с большей точностью. Вот тут-то и вступают в игру Параоану и его команда.

Движущиеся горы

Увеличьте наш маленький уголок

” данные-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Млечный Путь Галактика, глубоко под горами, охватывающими границу между Испанией и Францией. Это место подземной лаборатории Канфранка, в которой будет размещен высокочастотный датчик, который исследователи DarkQuantum планируют построить. Другой, низкочастотный датчик будет расположен на немецком электронном синхротроне (

” данные-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>ДЭЗИ) в Гамбурге.

Параоану и его группа KVANTTI несут основную ответственность за создание и настройку высокочастотного датчика, а также за написание алгоритмов и программного обеспечения для его использования. Этот датчик, называемый галоскопом, будет исследовать глубины галактического гало в поисках аксионов.

Размещение датчика глубоко под землей помогает устранить космическое фоновое излучение и может предоставить уникальную возможность одновременно изучать определенные методы снижения шума для

” данные-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>квантовые вычисления.

«Наш высокочастотный датчик будет в 10–100 раз чувствительнее, чем предыдущие версии, и он сможет сканировать в масштабе нескольких микроэлектронвольт. Он будет использовать сверхпроводящие кубиты — те же кубиты, которые используются в квантовых компьютерах, — но они будут выполнять другую роль детекторов в этом галоскопе», — говорит Параоану.

Предыдущие попытки обнаружить аксионы использовали линейные усилители, которые имеют тенденцию вносить шум и эффективно поглощать частицы в систему. Датчик Параоану будет основан на квантовых измерениях, не допускающих разрушения, что позволит проводить повторные эксперименты с одними и теми же частицами.

«Теория предполагает, что в ультрахолодной среде мы можем ввести магнитное поле, которое заставит любые присутствующие аксионы распадаться на фотоны. Если мы обнаружим какие-либо фотоны в полости, то сможем заключить, что аксионы присутствуют в системе и что они действительно существуют», — говорит Параоану.

Такое наблюдение было бы сравнимо по значимости с открытием бозона Хиггса в начале 2010-х годов».

— Старший преподаватель и доцент Университета Аалто Сорин Параоану

Грант «Синергия»

Грант Европейского исследовательского совета по синергии является престижным, и Параоану и его команда стали лишь вторыми в истории Университета Аалто, получившими этот грант: первый был присужден профессору Ристо Ильмониеми за его постоянную работу. Проект ConnectToBrain.

Шестилетний проект будет разбит на две части: четырехлетний этап расширения масштабов, который включает в себя строительство, настройку и транспортировку галоскопов; и двухлетний экспериментальный этап, в ходе которого команда соберет данные. Параоану ожидает, что в ближайшие годы в проекте появятся вакансии на несколько должностей исследователей.

Другие партнерские учреждения, упомянутые в гранте Synergy, включают Общество Макса Планка по развитию наук, Политехнический университет Картахены и Национальный исследовательский совет Испании.

Параоану и исследовательская группа КВАНТТИ проведут свою работу с использованием оборудования OtaNano. OtaNano — это национальная исследовательская инфраструктура Финляндии в области микро-, нано- и квантовых технологий. В частности, Параоану будет выполнять свою работу в Лаборатории низких температур, основанной финским физиком Олли В. Лоунасмаа. Параоану также участвует в ИнститутQ и новый Финский квантовый флагман (FQF).