Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego poszukują ciemnej materii przy pomocy 1000-kilometrowego czujnika kwantowego. Wyniki swoich badań zaprezentowali na łamach „Nature Communications”.
Ciemna materia jest niezbędnym składnikiem, by Wszechświat mógł ewoluować do obecnej postaci. Jednak mimo wielu eksperymentów przeprowadzanych w ostatnich dekadach, wciąż nie udaje się jej bezpośrednio wykryć, a dowody istnienia ciemnej materii pochodzą jedynie z pośrednich obserwacji astronomicznych. To czyni z niej jedną z największych nierozwiązanych tajemnic przyrody.
Poszukując ciemnej materii, zespół prof. Szymona Pustelnego z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego wraz z grupą prof. Dmitra Budkera z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji skonstruował unikatowy instrument badawczy – 1000-kilometrowy interferometr oparty na kwantowych czujnikach spinowych. Urządzenie to składa się z 2 najczulszych zbudowanych dotąd sensorów kwantowych, tzw. komagnetometrów atomowych. Są one zdolne do wykrywania minimalnych efektów, jakie mogą wywierać jedni z czołowych kandydatów na ciemną materię – aksjony – na spinach elektronowych lub jądrowych.
Instrument opracowany w ramach polsko-niemieckiej współpracy został wykorzystany do poszukiwania szczególnego typu ciemnej materii, znanego jako stochastyczna ciemna materia. Tego typu ciemna materia pojawia się, gdy aksjony – cząstki o masie rzędy wielkości mniejszej nawet od najlżejszych znanych (neutrin) – wykazują zachowanie falowe, a nie korpuskularne i losowo nakładają się w przestrzeni i czasie. Interferometr spinowy dostrojony jest do wychwytywania subtelnych zaburzeń tej losowej interferencji, które aksjony wywierałyby na spinach elektronów i jąder.
Mimo że badania nie ujawniły sygnału od ALP (Axion-Like Particles), zmierzone ograniczenia są najściślejsze spośród dotychczasowych eksperymentów laboratoryjnych dla oddziaływań ALP z neutronami, protonami i elektronami. Obejmując 9 rzędów wielkości masy cząstek, nowe ograniczenia poprawiają wcześniejsze wyniki nawet tysiąckrotnie w kilku zakresach mas.
Wykluczając dużą część badanego obszaru parametrów, eksperyment wskazuje fizykom, gdzie ciemna materia się nie ukrywa i kieruje przyszłe poszukiwania w bardziej obiecujące rejony. Co równie istotne, pokazuje, że sieci sensorów kwantowych mogą działać w skali kontynentalnej, otwierając drogę do jeszcze czulszych testów fundamentalnej fizyki.
Wyniki eksperymentu zaprezentowano na łamach „Nature Communications”.
Łukasz Wspaniały, źródło: UJ