Badania nad ciemną materią. Chińscy naukowcy opracowali rozproszoną sieć kwantowych czujników
Zwykła materia widzialna stanowi tylko około 4,9 procent Wszechświata, podczas gdy ciemna materia stanowi około 26,8 procent. Jednym z najbardziej intrygujących kandydatów na jej składnik są aksjony – hipotetyczne, niezwykle lekkie cząstki o właściwościach przypominających pole, postulowane w latach 70. XX wieku.
Zgodnie z teoriami kosmologicznymi pola aksjonowe mogły podczas przejść fazowych we wczesnym Wszechświecie tworzyć tzw. defekty topologiczne – struktury przypominające kosmiczne ściany domenowe lub struny. Jeśli takie obiekty istnieją do dziś jako składnik ciemnej materii, mogłyby okresowo „przecinać” Ziemię. W trakcie takiego przejścia oddziaływałyby ze spinami jąder atomowych, indukując niezwykle słabe i krótkotrwałe sygnały magnetyczne.
Właśnie wykrycie takich subtelnych efektów stało się celem zespołu z Uniwersytet Nauki i Technologii Chin działającego w ramach Chińska Akademia Nauk. Wyniki ich badań opublikowano pod koniec stycznia na łamach Nature.
Naukowcy opracowali pierwszą międzymiastową sieć kwantowych czujników jądrowych opartych na spinie. Kluczową innowacją było zastosowanie precyzyjnego pomiaru kwantowego, w którym sygnał potencjalnie indukowany przez aksjon jest „zapisywany” w długotrwałym stanie koherentnym spinu jądrowego. Choć samo oddziaływanie trwa zaledwie mikrosekundy, informację o nim można odczytywać nawet przez kilka minut.
Dzięki autorskiej technice kwantowego wzmocnienia spinu badaczom udało się zwiększyć amplitudę potencjalnego sygnału co najmniej stukrotnie. Czułość pomiaru rotacji spinu osiągnęła poziom około 1 mikroradiana – poprawę o cztery rzędy wielkości względem wcześniejszych metod.
Sieć składała się z pięciu sensorów rozmieszczonych w Hefei i Hangzhou, oddalonych od siebie o około 320 km. Synchronizację zapewniał sygnał czasu GPS (Global Positioning System), co pozwoliło odróżnić lokalne zakłócenia od ewentualnego globalnego sygnału przejścia defektu topologicznego.
W trakcie dwumiesięcznej kampanii obserwacyjnej nie zarejestrowano statystycznie istotnego zdarzenia, które można by przypisać przejściu defektu topologicznego. Brak detekcji również ma jednak wartość naukową: pozwolił wyznaczyć jak dotąd najsurowsze laboratoryjne ograniczenia na sprzężenie aksjon–nukleon w zakresie mas od 10 peV do 0,2 μeV. Dla masy 84 peV granica ta sięgnęła 4,1 × 10¹⁰ GeV.
To pierwszy eksperyment laboratoryjny, który przekroczył dotychczasowe ograniczenia astrofizyczne dotyczące ciemnej materii w postaci defektów topologicznych aksjonów. Otwiera to drogę do badania nieeksplorowanego dotąd obszaru przestrzeni parametrów oraz do testowania scenariuszy wykraczających poza Model Standardowy, takich jak istnienie gwiazd aksjonowych czy strun aksjonowych.
Choć aksjony wciąż pozostają hipotetyczne, rozwój kwantowych technologii pomiarowych sprawia, że ich poszukiwania wkraczają w zupełnie nową fazę, coraz bliższą granicy wykrywalności.
Źródło: Chińska Akademia Nauk
Czytaj też: Nowe badanie dotyczące języka. Jest zjawiskiem dynamicznym i elastycznym
Grafika tytułowa: Alejandro Luengo / Unsplash
