|
Интерферометр поможет в решении проблемы темной материи
|
|
|
|
Если предположить, что темная материя существует, ее взаимодействия с обычной материей настолько тонки, что даже самые чувствительные приборы не могут их обнаружить. В новом исследовании физики Северо—Западного университета представили новый высокочувствительный инструмент, который усиливает невероятно слабые сигналы в 1000 раз - это в 50 раз больше, чем было возможно ранее.
|
|
|
|
Этот невероятно точный инструмент, называемый атомным интерферометром, манипулирует атомами с помощью света для измерения исключительно малых взаимодействий. Но, в отличие от других атомных интерферометров, которые ограничены несовершенствами самого света, новый инструмент сам корректирует эти несовершенства, чтобы достичь рекордного уровня точности.
|
|
|
|
Повышая уровень незаметных сигналов до ощутимых уровней, технический прогресс может помочь ученым, которые ищут сверхслабые взаимодействия, испускаемые различными скрытыми явлениями, включая темную материю, темную энергию и гравитационные волны в неизведанных диапазонах частот. Новое исследование было опубликовано в Physical Review Letters.
|
|
|
|
"Темная материя - это довольно сложная проблема", - сказал Тимоти Л. Ковачи из Northwestern, который руководил работой. "Это странная дихотомия, потому что обычную материю, с которой мы сталкиваемся в повседневной жизни, мы понимаем очень хорошо. Но это составляет всего 15% вещества во Вселенной.
|
|
|
|
|
|
|
"Мы не знаем природу остального, которое составляет большую часть вещества во Вселенной. Так что это просто большая неполнота. Атомные интерферометры потенциально могут оказать большое влияние на поиск такого рода темной материи".
|
|
|
|
Ковачи - доцент кафедры физики и астрономии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета и член Центра фундаментальной физики.
|
|
Что такое атомный интерферометр?
|
|
|
|
Изобретенные в 1991 году атомные интерферометры используют преимущества суперпозиции - фундаментального принципа квантовой механики, согласно которому частица может находиться в нескольких состояниях одновременно. В этом случае атом ведет себя подобно волне, которая движется по двум направлениям одновременно. В атомном интерферометре лазеры расщепляют волнообразный атом на две волны, посылают эти волны по двум разным траекториям, а затем рекомбинируют их.
|
|
|
|
Когда волны рекомбинируют, они создают узор, похожий на отпечаток пальца, который показывает силы, действующие на атомы. Изучая этот узор, ученые могут измерять крошечные, невидимые силы и ускорения.
|
|
|
|
"Атомные интерферометры действительно хороши для измерения небольших колебаний на расстояниях", - сказал Ковачи. "Мы не знаем, насколько сильна темная материя, поэтому хотим, чтобы наши приборы были максимально чувствительными. Поскольку мы еще не "видели" темную материю, мы знаем, что ее воздействие должно быть довольно слабым".
|
|
Проблема с современными приборами
|
|
|
|
Однако при работе с такими крошечными волнами не требуется много усилий, чтобы нарушить весь эксперимент. Даже малейшее несовершенство может привести к ошибкам в интерференционной картине. Например, один-единственный фотон может нарушить траекторию волнообразного атома, сбивая его с курса со скоростью один сантиметр в секунду.
|
|
|
|
"Фотоны не могут передавать такой большой импульс, но атомы также не обладают такой большой массой", - объяснил Ковачи. "Если мы потеряем один атом, это не будет похоже на конец света. Но если мы будем подавать много лазерных импульсов света, чтобы повысить способность атомного интерферометра усиливать слабые сигналы, эти ошибки будут увеличиваться. И они будут увеличиваться быстро. На практике мы увидели, что примерно через 10 импульсов сигнал просто пропадал."
|
|
|
|
"Самокорректирующаяся" система
|
|
|
|
Чтобы преодолеть эту проблему, Ковачи и его команда разработали новую технику для тщательного управления последовательностью лазерных импульсов. Используя методы машинного обучения, метод "самокорректируется" с учетом несовершенств отдельных световых импульсов. Контролируя форму волны лазерных импульсов, исследователи уменьшили общее влияние ошибок, вызванных несовершенством экспериментальной установки.
|
|
|
|
После тестирования модели в симуляционных условиях команда Ковачи провела эксперимент в лаборатории. Эксперименты показали, что сигнал был усилен в 1000 раз.
|
|
|
|
"Раньше мы могли использовать только 10 лазерных импульсов, теперь мы можем использовать 500", - сказал Ковачи. "Это может кардинально изменить ситуацию во многих областях применения. Атомный интерферометр как единое целое "саморегулируется" с учетом недостатков каждого лазерного импульса. Мы не можем сделать каждый лазерный импульс идеальным, но мы можем оптимизировать общую последовательность импульсов, чтобы исправить недостатки в каждом из них. Это может позволить нам раскрыть весь потенциал атомной интерферометрии".
|
|
|
|
Источник
|
