Китай построил первую в мире квантовую сеть для поиска темной материи
Группа китайских ученых создала первую в мире сеть квантовых датчиков для поиска темной материи, передает «Синьхуа».
Вопрос «Из чего состоит Вселенная?» входит в список 125 фундаментальных научных проблем по версии журнала Science. Современные данные свидетельствуют, что на долю обычной видимой материи приходится лишь около 5% состава Вселенной, в то время как темная материя составляет примерно 27%. Однако ее микроскопическая природа остается одной из величайших загадок физики. Самыми теоретически обоснованными кандидатами на роль частиц темной материи считаются аксионы. Предполагается, что порождаемые ими топологические дефекты пространства можно уловить за счет взаимодействия с ядерными спинами атомов в детекторах.
Исследовательская группа разработала инновационную методику прецизионных измерений, впервые решив задачу детектирования кратковременных сигналов с помощью ядерных спинов атомов ксенона-129. Ученым удалось «сохранить» сигнал от структуры топологического дефекта темной материи, длящийся микросекунды, в когерентном состоянии ядерных спинов на время, близкое к минуте. Кроме того, получилось усилить слабый сигнал как минимум в 100 раз. Чувствительность детектирования вращения спинов достигла в итоге примерно 1 микрорадиана, что на четыре порядка (в 10 000 раз) превосходит показатели предыдущих лабораторных технологий.
Для дальнейшего повышения чувствительности расширили зону приема, для чего соединили в сеть пять самостоятельно разработанных квантовых сенсоров, расположенных в городах Хэфэй и Ханчжоу. Датчики синхронизировали через спутники. Большое расстояние между узлами приводит к различимым задержкам и разности фаз сигналов от подлинного события, связанного с темной материей, в разных точках. Трехмерная подгонка данных с нескольких узлов позволяет эффективно подавлять локальные помехи, снизив частоту ложных срабатываний примерно в 1000 раз. По сравнению с международным проектом GNOME, основанным на сенсорах с щелочными металлами, энергетическое разрешение новой сети детекторов на ядерных спинах улучшено примерно в 10 000 раз.
Результаты двух месяцев непрерывных наблюдений и корреляционного анализа опубликованы в Nature. Авторы не обнаружили статистически значимых событий, связанных с прохождением топологических дефектов. Исходя из этого «отсутствия сигнала», вычислены самые строгие на сегодня день лабораторные ограничения на константу связи аксион-нейтрон в широком диапазоне масс аксионов от 10 пэВ до 0,2 мкэВ. В частности, вблизи массы 84 пэВ верхний предел шкалы связи достиг 4,1⋅1010 ГэВ, что в 40 раз превосходит ограничение, полученное из астрофизических наблюдений сверхновой SN1987A. Таким образом, в этом диапазоне масс лабораторный эксперимент впервые превзошел по точности астрономические наблюдения.
Построенная в рамках исследования сетевая архитектура детектирования и методы обработки сигналов может применяться для поиска других кратковременных явлений за пределами Стандартной модели, таких как аксионные звезды или струны. Подобные сенсорные сети могут работать совместно с обсерваториями гравитационных волн, формируя многоканальную наблюдательную сеть для регистрации возможного аксионного излучения от экстремальных событий вроде слияния черных дыр. Чувствительность детектирования планируется поднять еще в 10 000 раз за счет развертывания глобальной сети и размещения сенсоров в космосе.
