Главная Физика Астрономы ищут темную материю, но астрофизики не знают, что это такое

Как физики ищут несуществующие частицы

Исследователи по всему миру построили десятки детекторов в надежде обнаружить темную материю. Однако ни проектирование, ни моделирование, ни эксплуатация детекторов не принесли ощутимого для науки результата. То же самое касается HAYSTAC — системы детекторов, разбросанных по всему миру. Время идет, а десятилетия экспериментальных усилий не позволило идентифицировать частицу темной материи.

Теперь поиск таинственной сущности получил маловероятную помощь со стороны технологий, используемых в исследованиях квантовых вычислений. В новой статье, опубликованной в журнале Nature, описывается, как физики пошли на «квантовый обман», чтобы удвоить скорость поиска ТМ. Ученые надеются найти частицу, соотносимой с реальностью, придуманной астрономами в 30-х годах прошлого века.

Вера

Астрофизики и космологи почему-то убеждены, что неизвестное вещество, называемое темной материей, составляет более 80% материи во Вселенной. Теоретики предлагают десятки новых фундаментальных частиц, которые якобы объясняют, почему мы не в состоянии вычислить массы крупных объектов. Именно для того, чтобы определить, какая из этих теорий верна, исследователи тратят колоссальные средства на разного рода детекторы, верифицируя вероятности фиксации гипотетических частиц. Мы уже не говорим о призрачности модельных формул (математики в целом), при помощи которых происходит манипуляция в том числе и «видимой» материей.

Аксионные детекторы

К слову, одна известная теория предполагает, что темная материя состоит из пока еще неизвестных физике частиц, называемых аксионами, которые в совокупности ведут себя как невидимая волна, колеблющаяся с определенной частотой. Детекторы Axion, включая HAYSTAC, работают как радиоприемники, но вместо того, чтобы преобразовывать радиоволны в звуковые, они стремятся преобразовать волны аксионов в электромагнитные аналоги. То есть аксионные детекторы (частиц, существующих лишь в воображении физиков и астрономов) измеряют две величины, называемые квадратурами электромагнитного поля (что также есть не что иное, как формула в компьютере). Эти квадратуры якобы представляют собой два различных типа колебаний в электромагнитной волне, которые возникают при «движении» аксионов.

Проблема

Основная проблема в поисках аксионов заключается в том, что никто не знает частоту гипотетической аксионной волны. Представьте, что вы находитесь в незнакомом городе и ищете конкретную радиостанцию, перебирая FM-диапазон по одной частоте за раз. Охотники за аксионами делают примерно то же самое: они настраивают свои детекторы на широкий диапазон частот. Каждый дискретный шаг охватывает очень небольшой диапазон возможных частот - полосу пропускания детектора.

Сжатие квантового шума

В команде HAYSTAC «усовершенствовали» методологию поиск аксионов, уменьшив шумы улавливаемых волн. В результате ученые столкнулись с фундаментальным пределом минимального шума вследствие принципа неопределенности.

А именно: невозможно знать точные значения определенных физических величин одновременно - например, положение и импульс частицы. Однако детекторы ищут аксион, измеряя различные колебания электромагнитного поля. Принцип неопределенности запрещает точное знание обеих квадратур, добавляя минимальное количество шума к квадратурным колебаниям.

Как улавливают темную материю

Кроме того, в обычных аксионных детекторах квантовый шум из-за принципа неопределенности в равной степени скрывает обе квадратуры. Такой шум невозможно устранить, но с помощью подходящих инструментов его можно контролировать. HAYSTAC «обходит» шум, уменьшая его влияние на одну квадратуру.Этот метод обработки называется квантовым сжатием.

В рамках усилий первоочередной задачей считается использование технологий сверхпроводящих цепей, заимствованных из исследований квантовых вычислений. Квантовым компьютерам массового пользования еще предстоит появиться, хотя технология сжатия может немедленно ускорить поиск ТМ.

Большая пропускная способность, более быстрый поиск

Как «ускоряют» поиск аксионов?

Квантовое сжатие не уменьшает шум равномерно по всей полосе пропускания аксионного детектора. Вместо этого измеряется наибольший эффект по краям. Представьте, что вы настроили свое радио на 88,3 мегагерца, но на самом деле вам нужна станция на 88,1. При помощи квантового сжатия вы сможете услышать свою любимую песню на расстоянии одной станции.

В мире радиовещания это было бы равнозначно катастрофе, потому что разные станции конкурируют между собой (в данном случае мешают друг друг)у. На практике нужно искать только один сигнал темной материи, а более широкая полоса пропускания позволяет физикам верифицировать сигналы быстре. HAYSTAC удвоил пропускную способность детекторов, пока безрезультатно.

Однако предпринимаемых усилий недостаточно для сканирования всех возможных аксионных частот. Хотя физики упорно верят: удвоение скорости сканирования - большой шаг в совершенствовании модели квантового сжатия, сканирование уыеличилось в 10 раз.

Никто не знает, существуют ли аксионы и решат ли они загадку темной материи но физики упорно верят в собственные фантазии.

Дата: 2021-02-18

Автор: Всеволод Гордиенко

Поделиться с друзьями: