Почти столетие ученые работают над разгадкой тайны темной материи — неуловимого вещества, которое распространяется по Вселенной и, вероятно, составляет большую часть ее массы, но до сих пор оказалось невозможным обнаружить в экспериментах. Однако новый эксперимент ученых продвинул исследования физиков.

Группа ученых использовала инновационную технику под названием «квантовое сжатие», чтобы значительно ускорить поиск одного кандидата на темную материю в лаборатории. Результаты, опубликованные в журнале Nature, касаются невероятно легкой и пока еще неоткрытой частицы — аксион.

Согласно теории, аксионы, вероятно, в миллиарды или триллионы раз меньше электронов и, возможно, были созданы во время Большого взрыва в огромных количествах. Таких характеристик достаточно, чтобы потенциально объяснить существование темной материи.

Однако найти эту многообещающую частицу — все равно что искать одну квантовую иголку в большом стоге сена. И все же в этом процессе возможен скорый прогресс. Исследователи в рамках проекта под названием Haloscope at Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) сообщают, что они повысили эффективность своей охоты, преодолев фундаментальное препятствие, наложенное законами термодинамики. В группу ученых входят ученые из университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий (NIST).

HAYSTAC — датчик, предназначенный для поисков аксионной темной материи. Он разработан и учеными из Йельского университета и предназначен для сужения области поисков частиц неуловимой темной материи, на долю которой может приходиться более 80% от общего количества материи во Вселенной.

И самым интересным в данном случае является то, что детектор HAYSTAC рассчитан на поиски темной материи в виде аксионов, субатомных частиц, которые существуют сейчас только в теории и поиски которых ведутся в рамках нескольких экспериментов, включая Axion Dark Matter Experimentis.

Новый подход позволяет исследователям лучше отделить невероятно слабые сигналы возможных аксионов от случайного шума, который существует в природе в чрезвычайно малых масштабах, иногда называемого квантовыми флуктуациями. По словам соавтора исследования Конрада Ленерта, научного сотрудника NIST в JILA, шансы команды найти аксион в течение следующих нескольких лет все еще примерно равны выигрышу в лотерее. Но эти шансы будут только улучшаться.

Дэниел Палкен, соавтор новой статьи, объяснил, что то, что делает аксион таким трудным для поиска, делает его идеальным кандидатом на роль темной материи — он легкий, не несет электрического заряда и почти никогда не взаимодействует с нормальной материей.

Одними из самых больших препятствий, с которыми сталкиваются ученые, являются сами законы квантовой механики, а именно принцип неопределенности Гейзенберга. Он ограничивает точность ученых в своих наблюдениях за частицами. В этом случае команда не может точно измерить два разных свойства света, производимого аксионами одновременно.

Однако команде HAYSTAC удалось обойти эти непреложные законы. Все сводится к использованию инструмента, называемого параметрическим усилителем Джозефсона. Ученые из JILA разработали способ использования этих небольших устройств, чтобы «сжать» свет, который они получали от эксперимента HAYSTAC. Физикам не нужно точно определять оба свойства входящих световых волн — только одно из них. Сжатие использует это преимущество за счет смещения неопределенностей в измерениях от одной из этих переменных к другой.

Чтобы проверить этот метод, исследователи провели пробный запуск в Йельском университете, чтобы найти частицу в определенном диапазоне масс. По словам ученых, они не нашли его, но эксперимент занял в два раза меньше времени, чем обычно.