Квантовые биты выступят в роли детекторов для обнаружения частиц темной материи

Posted by admin on 30 апреля, 2021

Напомним нашим читателям, что на долю обычной материи, из которой состоят планеты, звезды и все остальное, что мы можем увидеть в глубинах Вселенной, приходится всего 15 процентов от общего количества существующей в ней материи. Оставшиеся 85 процентов приходятся на долю неуловимой темной материи, которая уже достаточно долго и успешно уклоняется от обнаружения, несмотря на большое количество экспериментов, проведенных в данном направлении. И, недавно ученые-физики рассчитали новый эксперимент, в ходе которого будет произведен поиск двух разных видов частиц-кандидатов темной материи, и выполняться этот поиск будет при помощи некоторых причуд таинственного мира квантовой механики.

Согласно существующим космологическим моделям темная материя должна окружать нас в достаточно больших количествах. Трудность в ее обнаружении заключается в том, что она практически не взаимодействует с обычной материей, включая даже частицы света. И если в ходе какого-то эксперимента темная материя будет найдена, это станет одним из самых важных научных открытий современности.

Как уже упоминалось выше, физики из Национальной лаборатории имени Ферми и Чикагского университета разработали новый эксперимент, при помощи которого будет произведена «охота» на гипотетические частицы темной материи двух разных типов: темные фотоны и аксионы. Отметим, что темные фотоны являются эквивалентом обычных фотонов света, только природа которых скрывается на темной стороне Вселенной. Как считают ученые, основным отличием темных фотонов от обычных, является наличие массы покоя у первых. Аксионы, гипотетические частицы, имеющие отношение ко времени, перемещаются по Вселенной в виде волн и очень слабо взаимодействуют с силами магнетизма и силами электрической природы.

Любой из этих двух кандидатов может проявить себя в нашем мире нормальной материи путем производства нормальных фотонов света, при этом, такие фотоны будут возникать в таких областях пространства и при таких условиях, в которых согласно Стандартной Модели ничего происходить не должно. Темные фотоны могут спонтанно превращаться в нормальные фотоны, в то время, как аксионы могут испустить фотон света при взаимодействии с магнитным полем.

Ловля таких «неправильных» фотонов требует проведения эксперимента особого вида. Исследователи разработали устройство, позволяющие блокировать фотоны обычного фона и усилить фотоны, возникшие в неправильных местах, в неправильные моменты времени и т.п.

Место, в котором будет производиться ловля неправильных фотонов, является полостью микроволнового резонатора, изготовленного из сверхчистого (99,9999) алюминия. Внутри полости резонатора находится квантовый бит, кубит, выступающий в роли антенны, улавливающей все фотоны света. Весь этот комплект охлаждается до температуры в -273.1 градуса Цельсия, т.е. чуть-чуть выше точки абсолютного нуля и после начальной инициализации кубит способен детектировать присутствие фотона со скоростью в 50 микросекунд, при этом, длительность каждого фотона составляет 500 микросекунд.

Если из кубита считывается значений «1», это соответствует наличию фотона в полости резонатора. Несколько последовательных измерений должны исключить возможности любых ложных измерений, но существуют еще некоторые другие виды помех, приводящие к возникновению одного ошибочного результата на тысячу измерений.

Данный эксперимент еще не проводился, целесообразность его проведения в настоящий момент времени обсуждается пока в высших научных кругах. Вполне возможно, что положительное решение о проведении эксперимента будет принято после того, как ученые смогут обеспечить охлаждение кубита до температуры -273.14 градуса Цельсия, поместив его тем самым в условия, в которых уже не будет никаких фоновых и шумовых сигналов, портящих результаты измерений.