Физики предложили новую стратегию поиска «лёгкой» тёмной материи — той, чьи частицы имеют чрезвычайно малую массу — с помощью квантовых сенсоров, которые способны фиксировать исключительно слабые сигналы. Эта методика не только расширяет существующие подходы к детектированию тёмной материи, но и предлагает способ определять направление и скорость её движения в пространстве, что ранее считалось недостижимым для лёгких кандидатов на тёмную материю.
Почему традиционные методы не работают для лёгкой тёмной материи
Тёмная материя — материи, содержание которой в составе Вселенной оценивается примерно в 27 % всей массы-энергии — не отражает, не излучает и практически не взаимодействует с электромагнитным излучением, что делает её “невидимой” для обычных детекторов. Учёные знают о её существовании по гравитационному влиянию на галактики и крупномасштабную структуру Вселенной, но прямого наблюдения частиц тёмной материи до сих пор не получено.
Большинство классических детекторов ориентировано на тёмную материю с массой, сравнимой с известными частицами, и фиксирует её через энергию отдачи при столкновении с атомными ядрами. Однако такие приборы неэффективны для так называемой лёгкой тёмной материи — гипотетических частиц с массой значительно ниже 1 эВ (электронвольта), которые проявляют себя скорее как волны, чем как классические частицы.
Новая идея: квантовые сенсоры
Группа исследователей из Токийского университета и Университета Чуо предложила использовать квантовые сенсоры для отслеживания тёмной материи. Квантовые сенсоры — устройства, основанные на эффектах квантовой механики — обладают способностью фиксировать исключительно слабые воздействия, выходящие за пределы чувствительности классических приборов.
Вместо того чтобы измерять локальные столкновения частиц, как в традиционных детекторах, новый подход предполагает:
- использование сети квантовых сенсоров, расположенных в пространстве;
- сбор данных с каждого сенсора как квантовой информации;
- обработку этих данных с целью выделения направления и скорости движения тёмной материи.
Такой метод позволяет не только увеличить чувствительность, но и определить траекторию движения тёмной материи, что было недоступно предыдущим экспериментальным стратегиям.
Как работает метод
В основе предложенного подхода лежит использование нескольких пространственно распределённых квантовых детекторов, взаимодействующих друг с другом по заранее определённой протоколу квантовых измерений. Данные, полученные от всех сенсоров, анализируются как единое целое для выделения слабого сигнала, который может соответствовать прохождению тёмной материи.
Традиционные методы ищут локальные эффекты (например, кратковременные всплески энергии при столкновении с атомом), тогда как квантовые сенсоры фиксируют изменения квантового состояния в нескольких точках одновременно, делая возможным:
- выделение слабых коррелированных сигналов,
- увеличение чувствительности детекторов,
- получение информации о скорости и направлении движения тёмной материи.
Физики отмечают, что этот подход независим от конкретных моделей взаимодействия между тёмной материей и обычным веществом, что делает его значительно «универсальнее», чем многие ранее предложенные методы.
Преимущества и перспективы
Предложенный метод имеет несколько важных преимуществ:
- Повышенная чувствительность: квантовые сенсоры способны регистрировать значительно более слабые сигналы, чем традиционные детекторы.
- Направленность: благодаря пространственной сетке сенсоров возможно не только фиксировать наличие слабого сигнала, но и определять направление движения тёмной материи.
- Универсальность: метод не привязан к одной модели тёмной материи, а основан на фундаментальных свойствах квантовых измерений.
Учёные полагают, что в дальнейшем предложенный принцип может быть адаптирован для использования в реальных экспериментах по поиску тёмной материи, а также вдохновит дополнительные исследования в области высокоэнергетической физики и квантовых технологий.
Контекст современных исследований
Идея применения квантовых сенсоров для поиска тёмной материи не ограничивается одной работой. Независимые исследования показывают, что квантовые сети сенсоров, включая superconducting qubits (сверхпроводящие кубиты), могут значительно повысить чувствительность к слабым сигналам тёмной материи и другим фундаментальным явлениям.
Кроме того, уже разрабатываются другие подходы, основанные на квантовых технологиях, таких как маглев-сенсоры, которые также стремятся измерить слабые воздействия, потенциально исходимые от тёмной материи.
Что это значит для физики
Если предложенный способ подтвердит свою работоспособность в экспериментальных реализациях, это станет важным шагом вперёд в прямом детектировании тёмной материи, которая до сих пор остаётся одной из главных нерешённых загадок современной физики. Успех в этой области может помочь:
- подтвердить или опровергнуть теории о природе тёмной материи,
- расширить наше понимание взаимодействий на фундаментальном уровне,
- создать новые методы измерения слабых сигналов в других областях физики.
Заключение
Исследование японских учёных предлагает новый метод поиска лёгкой тёмной материи с помощью квантовых сенсоров, который отличается от традиционных подходов высокой чувствительностью и способностью выявлять направление движения тёмной материи. Эта работа представляет собой важную инновацию на пересечении квантовой физики и космологии и может в перспективе привести к выполнению долгосрочной задачи физики — прямому наблюдению тёмной материи.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
