Тёмную материю будут искать с помощью датчика на квантовом бите

Предполагается, что подавляющее большинство материи в окружающей нас Вселенной — это тёмная материя. Считается, что на видимую и осязаемую материю приходится всего около 15 %, а остальные 85 % [тёмной] материи ещё ни разу не удалось определить. Учёные из США предложили схему эксперимента, которая может помочь экспериментально обнаружить существование тёмной материи, для чего они предложили использовать сверхпроводящий кубит.

Физики из лаборатории Ферми и Чикагского университета разработали новый эксперимент, в ходе которого можно будет поискать две гипотетические частицы, предложенные в качестве кандидатов в тёмную материю — это тёмные фотоны и аксионы. Первые могут смешиваться с обычными фотонами, но при этом должны обладать массой, а вторые способны в определённых условиях распадаться на два фотона.

Каждый из этих кандидатов потенциально могут проявить себя там, где обычных фотонов быть не должно. Тёмный фотон может спонтанно превратиться в обычный, а аксионы, как сказано выше, при взаимодействии с магнитным полем могут испускать два обычных фотона.

Схема эксперимента. Кубит возвращает 1 если в резонаторе появился фотон. Источник изображения: Akash Dixit, University of Chicago

Исследователи разработали устройство, которое блокирует обычные фотоны и усиливает любые фотоны, которые могут возникнуть при взаимодействии с темной материей (тёмными фотонами или аксионами). В схему детектирования входит сверхпроводящий микроволновый резонатор из алюминия чистотой 99,9999 %. Внутри резонатора находится антенна в виде сверхпроводящего кубита. Именно она обнаруживает фотоны в резонаторе, если они там вдруг появятся из «ниоткуда».

Резонатор и кубит охлаждены до температуры очень и очень близкой к абсолютному нулю — до –273,1 °C (абсолютный нуль находится на уровне –273,15 °C). Система способна фиксировать фотон до 50 раз в течение 500-мкс времени жизни этой частицы, что необходимо для надёжного подтверждения его появления в изолированном резонаторе.

Антенна с кубитом. Источник изображения: Reidar Hahn, Fermilab

В идеале, говорят исследователи, температуру резонатора и кубита надо было опустить до –273,14 °C, тогда фоновый шум и его влияние на кубит были бы полностью ликвидированы, но технологически сегодня этого сделать не представляется возможным.

Отметим, эксперимент по охоте за тёмной материей пока не поставлен. Это пока лишь концепция, о которой исследователи рассказали в издании Physical Review Letters.