Создали квантовый кристалл для поисков темной материи
Американские ученые создали двумерный квантовый кристалл из 150 запутанных ионов бериллия, который можно использовать для поисков темной материи. Результаты исследования опубликовал научный журнал Science. "Подобные кристаллы смогут обнаружить частицы определенных типов темной материи, в том числе аксионы и "темные фотоны", которые могут взаимодействовать с обычной материей с помощью электрослабого взаимодействия. В результате должен возникнуть сигнал, частота которого будет зависеть от массы частиц темной материи", – отметил один из авторов исследования, научный сотрудник Национального института стандартов и технологий США Джон Боллинджер.
Ученые не сомневаются в существовании темной материи, однако ее природа и свойства все чаще становятся предметом ожесточенных споров. Дело в том, что за последние два десятка лет исследователи не нашли никаких намеков на то, что она состоит из так называемых вимпов – сверхтяжелых и холодных частиц, которые никак не проявляют себя, кроме как притягивая видимые скопления материи. Безуспешные поиски вимпов заставили многих космологов предположить, что темная материя на самом деле может состоять из так называемых аксионов – сверхлегких частиц, которые по массе и свойствам похожи на нейтрино. Первые их поиски тоже закончились безрезультатно, что породило еще больше дискуссий и альтернативных теорий, нуждающихся в проверке.
Поиски альтернативных форм темной материи можно значительно ускорить с помощью нового квантового "кристалла", который создали Боллинджер и его коллеги. Эта разработка представляет собой набор ионов бериллия, запутанных друг с другом на квантовом уровне и уложенных в двумерную структуру, которая по устройству напоминает кристалл. Ключевая особенность этой структуры заключается в том, что спин каждого иона, то есть воображаемая ось его вращения, всегда был направлен в одну и ту же сторону благодаря наличию незримых квантовых связей между частицами. Подобным образом ученые пытались подавить случайные помехи, которые возникают внутри квантовых кристаллов в результате различных классических и квантовых процессов.
Если аксионы и другие типы частиц легкой темной материи существуют, в результате их взаимодействий с частицами внутри подобного квантового кристалла последние периодически будут сдвигаться с места. Из-за этого будет меняться электрическое поле, которое вырабатывают ионы бериллия. Следы этого можно уловить с помощью лазеров, которые непрерывно подсвечивают кристалл. Как объясняет Боллинджер, благодаря квантовому характеру связей между ионами подобная установка может обойти предел точности измерений, который накладывается существованием случайных квантовых помех. Это резко увеличивает чувствительность подобной установки к изменениям напряженности поля и позволяет ей работать в десятки раз эффективнее уже существующих детекторов подобного рода.
По словам физиков, если увеличить количество запутанных ионов до ста тысяч и сделать кристалл трехмерным, чувствительность этого детектора можно повысить в тысячу раз. Кроме того, ученые предполагают, что этот параметр можно увеличить еще в несколько раз, если улучшить качество охлаждения кристалла и работы других компонентов установки. Подобные квантовые кристаллы, по словам Боллинджера и его коллег, смогут обнаруживать следы существования даже самых легких и слабо взаимодействующих аксионов и других частиц темной материи, отслеживать которые существующие детекторы пока не могут.
