《Nature》:更近一步,量子压缩助力暗物质粒子的探索

高分子科学前沿 2021-02-11

【无处不在】

在我们赖以生存的宇宙中,除了常说的可见物质、普通物质,或者叫可观测物质之外,还充满了一种看不见、非常规的物质,暗物质(dark matter)。暗物质的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。与可观测物质不同,暗物质不与光发生作用,无法进行直接观测。然而,大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象,又让科学家们坚信暗物质存在于宇宙之中。

由于构成暗物质的粒子尚不清楚,因此,暗物质的本质是现代物理学中最大的谜团之一。几十年来,研究人员一直在探寻。

【有力候选,轴子】

在众多理论中,其中一个非常热门的暗物质粒子候选者是轴子(axion),它是一种非常轻的中性粒子(如果存在,其质量小于十万分之一的eV)。轴子的提出最初是为了解释当时粒子物理学理论中的一个问题:即当时间方向发生反转时,部分粒子的动力学似乎并没有发生改变,违背了人们的预期。此外,据理论预测,轴子具有构成暗物质的正确属性。它们会在大爆炸后大量产生,多到能够提供某些宇宙学家为使时空平坦所要求的冷暗物质。因此,证实轴子存在,不仅可以解释暗物质来源,还可解释为什么宇宙主要由物质组成。

近日,美国耶鲁大学的K. M. Backes课题组通过真空压缩(vacuum squeezing)的策略突破了量子极限来搜寻暗物质。通过制备一个处于压缩状态的微波频率电磁场,并几乎无噪声地对被压缩的正交曲线进行读出,研究人员将在质量范围内对轴子的搜索速度提高了一倍。在轴子16.96-17.12和17.14-17.28微电子伏特(μeV)的静止能量窗口中,并没有发现暗物质存在的证据。对量子极限的突破促进了对基础物理的探索,体现了降噪技术的优异性。该研究以“A quantum enhanced search for dark matter axions”为题发表在最新一期的《Nature》上。

【如何搜寻】

如果暗物质是由轴子构成的,这些粒子将无处不在。在星系的暗物质光晕(延伸到恒星盘之外的大致球形区域)中寻找轴子,就需要轴子光晕仪(axion haloscope)。在该装置中,将一个谐振腔(一种中空金属结构,能够将光限制在谐振频率)放置在一个强而均匀的磁场中。在空腔内部,潜在的轴子可以从磁场的量子波动中散射出来(又称为虚拟光子),并产生频率与轴子质量成比例的一个真实的光子(图1)。如果该频率与腔体的谐振频率匹配,那么原本可以忽略不计的极微弱的轴子信号将被放大。

Axion haloscope的原理

即使信号被放大了,在这些粒子的最真实模型中,轴子的预期信号还是非常微小的,且常常被实验噪声信号掩盖。过往实验中,这种噪声通常来自于空腔壁发出的热辐射,或是使用的传感器导致的。想要提高观测轴子的灵敏度,就需要降低实验噪声。目前,最尖端的axionhaloscope通过降低温度以减少热辐射,并采用超低噪声传感器技术。然而,这种提升技术日益艰难。

【突破极限】

根据海森堡量子物理学的测不准原理,量子系统的某些特性对不能以无限的精度同时被确定。这些性质被称为互补变量,如位置和动量等。这种不确定性有时被称为量子噪声,甚至在没有任何光子的真空状态下也会存在。因此,量子噪声代表了轴子光晕仪可达到的噪声水平的极限。而能够极其接近这一量子极限,已经是一项技术壮举了。但是K. M. Backes等人使用的被称为压缩态的量子态方法,突破了这一极限。

在压缩态中,一对性质的其中一个性质的不确定性被降低。而根据海森堡原理,互补变量又必须具有大于正常的不确定性(即另一个性质的不确定性增加)。早在1980年代,光的压缩态就在实验室在问世了,但一直到过去几年,它们在克服量子极限的轴子搜索上的潜力才被挖掘。

在K. M. Backes等人的实验中,他们对量子噪声的分量(类似于一种被称为正弦波的数学曲线)进行了压缩,它类似于被称为正弦波的数学曲线,而接收额外不确定性的互补变量是类似于余弦波的分量。幸运的是,通过挤压前者而获得的好处要远远大于“拓宽”(unsqueezing)后者而失去的好处。因此,因此,在轴子光晕仪的腔内以这种压缩状态制备真空状态,可以使噪声水平降低到量子极限以下。

Backes等人对这个概念进行了实现。在真实的搜索轴子的过程中,他们证明了精密的量子操纵技术与这样的搜索环境是兼容的。结果显示,在一个给定的轴子参数空间 (轴子-光子耦合与轴子质量的关系图),与不包含压缩态相比,当包含压缩态时,探索时间减少了一半。

对轴子的搜寻

【未来可期】

尽管这种改进看起来相对温和,但它为灵敏度的进一步飞跃铺平了道路(理论上,任意的性能提升主要基于压缩的品质)。Backes等人的工作是迈出了量子增强粒子搜索的第一步。在过去的几年里,轴子吸引了越来越多的关注。尽管目前还只是一点点,但是研究人员开始广泛探索现实中的轴子候选对象。而提高灵敏度对于验证暗物质是由轴子组成的假设至关重要。因此,这项工作将有助于揭示现代科学中最大的谜团之一。

来源:高分子科学前沿

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!