Международная группа учёных под руководством китайских исследователей достигла значительного прорыва в поиске тёмной материи, используя квантовые технологии. Эта инициатива существенно расширила возможности обнаружения этой загадочной составляющей Вселенной.
Вселенная состоит из видимой материи, которая составляет всего около 5% от общей массы, в то время как оставшиеся 95% предположительно состоят из тёмной материи и тёмной энергии. Учёные продолжают искать признаки тёмной материи, которая оказывает глубокое влияние на структуру и эволюцию Вселенной.
Среди потенциальных кандидатов на роль тёмной материи — слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP) и аксионы. Аксионы особенно интересны для исследования, поскольку поиски WIMP пока что не дали результатов.
Технология квантовых точных измерений позволяет обнаруживать мельчайшие уровни энергии и предлагает новый подход к поиску тёмной материи. Учёные из Китайского университета науки и технологий и Калифорнийского университета в Беркли использовали поляризованный благородный газ для создания сверхчувствительного детектора аксионов, работающего на основе квантовых спиновых взаимодействий.
Детектор увеличил чувствительность взаимодействия до 145 раз по сравнению с обычными методами и достиг астрономического снижения помех, вызванных классическими магнитными полями, избегая ложных сигналов. Хотя команда пока что не нашла окончательных доказательств существования аксионной тёмной материи, но ей удалось наложить самые строгие ограничения из когда-либо известных на нейтрон-нейтронную связь, которая расширяется в «аксионное окно» — теоретически предпочтительный диапазон масс, где, вероятно, скрываются гипотетические частицы.
Эксперимент установил новый стандарт в этой области, улучшив предыдущие ограничения как минимум в 50 раз. Результаты подчёркивают большой потенциал квантовых технологий в области исследования тёмной материи.
«Исследование отличается применением двух новых разработок — магнитного усиления и шаблонов сигналов, что позволило улучшить чувствительность примерно на два порядка по сравнению с существующим уровнем техники», — прокомментировал У. Майкл Сноу, физик из Университета Индианы в Блумингтоне.
Помимо наземного эксперимента, руководитель группы Пэн Синьхуа в 2023 году предложил план по размещению квантовых датчиков на китайской космической станции для поддержки поиска аксионов.
По словам Пэна, это исследование также имеет значительный потенциал для практического применения, например, для повышения точности магнитно-резонансной томографии в целях прецизионной медицины и обеспечения более продвинутых глубоководных исследований.