Μια νέα προσέγγιση βασισμένη στην κβαντική φυσική θα μπορούσε να προσφέρει στους επιστήμονες έναν διαφορετικό τρόπο εντοπισμού της σκοτεινής ύλης, ενός από τα πιο μυστηριώδη συστατικά του σύμπαντος.
Μια ομάδα ερευνητών από το University of Tokyo και το Chuo University πρότεινε μια στρατηγική που χρησιμοποιεί ένα κατανεμημένο δίκτυο κβαντικών αισθητήρων, ικανό όχι μόνο να ανιχνεύει εξαιρετικά ασθενή σήματα, αλλά και να ανακατασκευάζει την ταχύτητα και τη διεύθυνση άφιξης ελαφρύτερων σωματιδίων σκοτεινής ύλης.
Γιατί είναι τόσο δύσκολος ο άμεσος εντοπισμός;
Για δεκαετίες, η σκοτεινή ύλη μελετάται μόνο έμμεσα, παρατηρώντας τις βαρυτικές της επιδράσεις πάνω στους γαλαξίες και στις μεγάλες κοσμικές δομές. Δεν εκπέμπει φως, δεν το απορροφά και δεν το ανακλά, γεγονός που καθιστά αναποτελεσματικές τις παραδοσιακές μεθόδους παρατήρησης.
Σύμφωνα με ορισμένες θεωρητικές υποθέσεις, ένα μέρος της σκοτεινής ύλης μπορεί να αποτελείται από εξαιρετικά ελαφρά σωματίδια, με μάζες μικρότερες από ένα ηλεκτρονιοβόλτ (eV), τα οποία συμπεριφέρονται περισσότερο σαν διάχυτα κύματα παρά σαν σημειακά σωματίδια.
Αυτή η κυματική φύση κάνει την ανίχνευση τους περίπλοκη με κλασικούς ανιχνευτές, που είναι σχεδιασμένοι κυρίως για να καταγράφουν κρούσεις ή σήματα από βαρύτερα σωματίδια.
Η ιαπωνική πρόταση: πολλοί αισθητήρες, κβαντικό πρωτόκολλο
Η πρόταση των Ιαπώνων ερευνητών ξεκινά ακριβώς από αυτόν τον περιορισμό. Πως;
Αντί να επικεντρώνεται σε έναν μόνο μεγάλο ανιχνευτή ή σε χωρικά εκτεταμένα «ίχνη», η μέθοδος αξιοποιεί πολλαπλούς αισθητήρες που είναι χωρισμένοι στον χώρο, αλλά συνδέονται μέσω ενός κβαντικού πρωτοκόλλου μέτρησης.
Τα δεδομένα που συλλέγονται δεν αντιμετωπίζονται ως απλά κλασικά σήματα, αλλά ως κβαντική πληροφορία, επιτρέποντας την εξαγωγή λεπτομερειών που μέχρι σήμερα ήταν απρόσιτες.
Έτσι γίνεται δυνατό να συναχθεί όχι μόνο η ύπαρξη σήματος συμβατού με σκοτεινή ύλη, αλλά και:
- η ταχύτητα διάδοσής του
- η κατεύθυνση από την οποία προέρχεται
Πλεονέκτημα: ευελιξία και συμβατότητα με πολλά πειράματα
Σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης, ένα από τα ισχυρά σημεία της στρατηγικής είναι η ευελιξία της, επειδή δεν απαιτεί έναν συγκεκριμένο τύπο ανιχνευτή ούτε μια ιδιαίτερη αλληλεπίδραση μεταξύ σκοτεινής ύλης και συνηθισμένης ύλης.
Η μόνη θεμελιώδης προϋπόθεση είναι τα δεδομένα των διαφορετικών αισθητήρων να μπορούν να λαμβάνονται και να συνδυάζονται σε κβαντικό επίπεδο.
Αυτό καθιστά την προσέγγιση δυνητικά εφαρμόσιμη σε πολλές πειραματικές διατάξεις που ήδη υπάρχουν ή βρίσκονται σε φάση σχεδιασμού.
Μεγαλύτερη ευαισθησία και νέοι ορίζοντες
Οι θεωρητικές αναλύσεις υποδεικνύουν επίσης ότι ένα δίκτυο κβαντικών αισθητήρων μπορεί να προσφέρει υψηλότερη ευαισθησία σε σχέση με κλασικές συστοιχίες, ανοίγοντας τον δρόμο για πιο ακριβείς μετρήσεις ακόμη και όταν τα σήματα είναι εξαιρετικά ασθενή.
Πέρα από το κυνήγι της σκοτεινής ύλης, η τεχνική θα μπορούσε να ενισχύσει μια ευρύτερη αξιοποίηση του quantum sensing στη σωματιδιακή φυσική, βοηθώντας στην ανάπτυξη νέων πειραμάτων που θα εξερευνούν περιοχές του υποατομικού «τοπίου» που μέχρι σήμερα παραμένουν σχετικά απρόσιτες.
Οι ερευνητές ήδη εξετάζουν τα επόμενα βήματα, τα οποία περιλαμβάνουν τη βελτίωση του πρωτοκόλλου και τη δυνατότητα ανακατασκευής όχι μόνο της ταχύτητας, αλλά και της χωρικής κατανομής της σκοτεινής ύλης μέσω ενός ολοένα και εκτενέστερου δικτύου αισθητήρων.
Πως θα μπορούσε να υλοποιηθεί στην πράξη ένα «τηλεσκόπιο» σκοτεινής ύλης με κβαντικούς αισθητήρες
Η ιδέα της δικτύωσης κβαντικών αισθητήρων συνδέεται στενά με τεχνικές που ήδη χρησιμοποιούνται στην ακριβή μετρολογία, όπως τα ατομικά ρολόγια, οι μαγνητόμετροι ατμών αλκαλίων και τα συμβολόμετρα ατόμων.
Σε ένα δίκτυο, κάθε κόμβος μετρά μια φάση ή μια συχνότητα που μπορεί να μετατοπιστεί από την παρουσία ενός κβαντικού πεδίου σκοτεινής ύλης.
Αν το πεδίο είναι κυματοειδές και συνεκτικό σε μεγάλες αποστάσεις, τότε οι μετρήσεις διαφορετικών κόμβων παρουσιάζουν χαρακτηριστικές συσχετίσεις.
Με κβαντικά πρωτόκολλα, οι κόμβοι δεν ανταλλάσσουν απλώς χρονοσήμανση, αλλά δημιουργούν καταστάσεις διεμπλοκής ή χρησιμοποιούν «συμπιεσμένο» φως, μειώνοντας τον θόρυβο βολής κάτω από το κλασικό όριο.
Η κατεύθυνση άφιξης μπορεί να εξαχθεί όπως σε μια κεραία: μικρές διαφορές φάσης μεταξύ αισθητήρων, σε γνωστές αποστάσεις, κωδικοποιούν το διάνυσμα ταχύτητας του πεδίου.
Αυτό απαιτεί ακραία συγχρονισμό (π.χ. υπο-νανοδευτερόλεπτο) και σταθερή γεωδαιτική βαθμονόμηση των αποστάσεων.
Πρακτικά εμπόδια είναι η αποσυνοχή από θερμικό θόρυβο, οι μαγνητικές διαταραχές του περιβάλλοντος και οι απώλειες σε κβαντικά κανάλια οπτικών ινών ή δορυφόρων.
Ένα ελκυστικό σενάριο είναι η αξιοποίηση υπαρχόντων δικτύων ατομικών ρολογιών σε εθνικά ινστιτούτα μετρολογίας, καθώς και η εγκατάσταση φορητών αισθητήρων σε υπόγεια εργαστήρια.
Συνδυάζοντας δεδομένα από Ευρώπη, Ασία και Αμερική θα αυξανόταν δραματικά το «άνοιγμα» του δικτύου, επιτρέποντας καλύτερη τριγωνοποίηση και έλεγχο συστηματικών σφαλμάτων.
Παράλληλα, παρόμοιες μέθοδοι μπορούν να αναζητήσουν όχι μόνο σωματίδια, αλλά και τοπολογικά ελαττώματα σκοτεινής ύλης (domain walls) που θα περνούν από τη Γη και θα προκαλούν παροδικά «χτυπήματα» στις συχνότητες.
Έτσι, η κβαντική αισθητήρια τεχνολογία λειτουργεί ως γέφυρα ανάμεσα στη θεμελιώδη φυσική και σε εφαρμογές ακριβείας, από τη ναυσιπλοΐα έως τη γεωφυσική.
Για να γίνει το βήμα από τη θεωρία στο εργαστήριο, προτείνονται πιλοτικές διατάξεις με 5–10 αισθητήρες σε αποστάσεις μερικών μέτρων έως χιλιομέτρων.
Υποψήφιοι ανιχνευτές είναι κέντρα NV σε διαμάντι για υπερελαφρά αξιόνια, υπεραγώγιμοι μικροκυματικοί συντονιστές για σκοτεινές φωτονικές συνιστώσες, και οπτικά πλέγματα ρολογιών που «βλέπουν» μεταβολές θεμελιωδών σταθερών.
Η ανάλυση θα βασιστεί σε συσχετισμούς χρόνου-συχνότητας και σε Bayesian φίλτρα, ώστε να ξεχωρίζουν κοσμικά σήματα από τοπικούς θορύβους.
Σε μεγαλύτερη κλίμακα, ένα πανευρωπαϊκό δίκτυο θα μπορούσε να μοιράζεται κβαντικά κλειδιά για ασφαλή σύζευξη δεδομένων και να δημοσιεύει ανοικτά σετ μετρήσεων, επιταχύνοντας τη διασταύρωση αποτελεσμάτων μεταξύ διαφορετικών ομάδων και ανεξάρτητων αναλύσεων παγκοσμίως.
