“量子压缩” –一种寻找难以捉摸的暗物质的创新新方法

艺术家对HAYSTAC实验内部工作的描绘。

近一个世纪以来，科学家一直在努力探索暗物质的奥秘-一种难以捉摸的物质，它在整个宇宙中传播并可能构成其质量的大部分，但迄今已证明无法在实验中发现。现在，一组研究人员使用了一种称为“量子压缩”的创新技术，可以大大加快实验室中暗物质候选者的搜索速度。

这项发现今天发表在《自然》杂志上，集中于一个令人难以置信的轻便，至今尚未发现的被称为轴突的粒子。根据理论，轴距可能比电子小数十亿至数万亿倍，并且可能是在宇宙大爆炸期间以巨大的数字产生的-足以潜在地解释暗物质的存在。

然而，找到这种有前途的粒子有点像在一个真正大的干草堆中寻找一根量子针。

视线可能会有所缓解。耶鲁大学对轴温敏感的暗物质（HAYSTAC）的“ Haloscope At Yale Sensitive”项目的研究人员称，他们已经提高了狩猎效率，克服了热力学定律带来的基本障碍。该小组的成员包括JILA的科学家，科罗拉多博尔德大学的联合研究所和美国国家标准与技术研究院（NIST）。

这项新论文的两位主要作者之一，耶鲁大学的研究生凯利·贝克斯说：“速度是我们以前的两倍。”

通过这种新方法，研究人员可以更好地将可能存在的轴的微弱信号与自然界中存在的很小规模的随机噪声（有时称为“量子涨落”）更好地区分开。JILA NIST研究员，研究合著者Konrad Lehnert说，该团队在未来几年内找到斧头的机会仍然与赢得彩票差不多。但是这些可能性只会越来越大。

“一旦有了解决量子波动的方法，您的道路就可以变得越来越好，”同时也是加州大学博尔德分校物理系副教授的莱纳特说。

HAYSTAC由耶鲁大学领导，是JILA和加州大学伯克利分校的合作伙伴。

量子定律

新论文的共同第一作者丹尼尔·帕尔肯（Daniel Palken）解释说，使轴如此难以发现的原因还在于，它使得它成为暗物质的理想候选者-它重量轻，不带电荷并且几乎从不与正常物质相互作用。

帕肯说：“它们不具有使粒子易于检测的任何性质，”帕肯于2020年从JILA获得博士学位

但是有一线希望：如果轴突穿过足够强的磁场，那么少数轴突会转变成光波-科学家可以检测到这一点。研究人员已经开始努力寻找太空中强大磁场中的那些信号。然而，HAYSTAC实验正在将脚踩在地球上。

该项目于2017年发布了第一项发现，该项目在耶鲁大学校园内采用了一种超冷设施来产生强磁场，然后尝试检测轴转化为光的信号。这不是一件容易的事。科学家已经预测，轴可能会显示出非常大的理论质量，在像HAYSTAC这样的实验中，每个轴都会在不同的光频率下产生信号。然后，为了找到真实的粒子，团队可能不得不在各种可能性中步步为营-例如调谐收音机以找到单个微弱的电台。

帕尔肯说：“如果您试图深入挖掘这些微弱的信号，最终可能要花上数千年的时间。”

团队面临的最大障碍是量子力学定律本身，即海森堡不确定性原理，该原理限制了科学家观察粒子的精确程度。在这种情况下，团队无法准确地测量由轴产生的光的两种不同特性。

然而，HAYSTAC团队已经走上了超越那些不变法则的道路。

不断变化的不确定性

诀窍归结于使用称为Josephson参数放大器的工具。JILA的科学家们开发了一种使用这些小型设备“挤压” HAYSTAC实验获得的光的方法。

Palken解释说，HAYSTAC团队不需要同时检测入射光波的两个属性，而只是其中之一。压缩通过将测量的不确定性从这些变量之一转移到另一个变量来利用这一优势。

帕肯说：“压缩只是我们操纵量子力学真空以使自己能够很好地测量一个变量的一种方式。”“如果我们试图测量另一个变量，我们会发现我们的精度将非常低。”

为了测试该方法，研究人员在耶鲁大学进行了一次试验，以寻找一定质量范围内的颗粒。Backes说，他们没有找到它，但是实验花费了通常时间的一半。

她说：“我们进行了100天的数据运行。”“通常，本文要花200天才能完成，所以我们节省了三分之一的时间，这简直令人难以置信。”

Lehnert补充说，该小组渴望将界限进一步推向前进-提出了寻找这种难以捉摸的针的新方法。

他说：“为了使这个想法更好地工作，骨头上还剩下很多肉。”

参考：KM Backes，DA Palken，S。Al Kenany，BM Brubaker，SB Cahn，A.Droster，Gene C.Hilton，Sumita Ghosh，H.Jackson，SK Lamoreaux，AF Leder的“量子增强搜索暗物质轴”。 KW Lehnert，SM Lewis，M.Marnou，RH Maruyama，NM Rapidis，M.Simanovskaia，Sukhman Singh，DH Speller，I.Urdinaran，Leila R.Vale，EC van Assendelft，K.van Bibber和H.Wang，2月10日2021年，自然.DOI：
10.1038 / s41586-021-03226-7