Zespół badaczy z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji przeprowadził eksperyment z wykorzystaniem interferometru kwantowego o długości 1000 km. Za pomocą tej aparatury naukowcy poszukują ciemnej materii.
Wyniki prac naukowców z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ pod kierunkiem prof. Szymona Pustelnego i badaczy z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji (Niemcy) ukazały się w czasopiśmie Nature Communications.
Jak podano w nadesłanym w piątek z UJ do PAP komunikacie, badacze skonstruowali unikatowy instrument badawczy – 1000-kilometrowy interferometr oparty na kwantowych czujnikach spinowych – w celu poszukiwań ciemnej materii.
„Ciemna materia jest niezbędnym składnikiem, by Wszechświat mógł ewoluować do obecnej postaci. Jednak mimo dziesięcioleci wysiłków eksperymentalnych wciąż nie udaje się jej bezpośrednio wykryć, a dowody jej istnienia pochodzą z pośrednich, jednak różnorakich obserwacji astronomicznych. To sprawia, że ciemna materia pozostaje jedną z największych nierozwiązanych tajemnic przyrody” – napisano w komunikacie.
Badacze z UJ wyjaśnili, że interferometr składa się z dwóch najczulszych zbudowanych dotąd sensorów kwantowych – tzw. komagnetometrów atomowych. Sensory te są zdolne do wykrywania minimalnych efektów, jakie mogą wywierać jedni z czołowych kandydatów na ciemną materię – aksjony – na spinach elektronowych lub jądrowych.
Spin to wewnętrzna właściwość cząstki, moment pędu wynikający z jej natury kwantowej.
Instrument, opracowany w ramach polsko-niemieckiej współpracy, został wykorzystany do poszukiwania szczególnego typu materii, znanego jako stochastyczna ciemna materia. „Tego typu ciemna materia pojawia się, gdy aksjony – cząstki o masie rzędu 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” – opisali badacze w komunikacie.
Dodali, że chociaż nie zaobserwowano sygnałów świadczących o istnieniu aksjonów, eksperyment pozwolił wyznaczyć najdokładniejsze jak dotąd ograniczenia ich oddziaływania z neutronami, protonami i elektronami. Poszukiwania objęły dziewięć rzędów wielkości mas cząstek.
„Pokazując, gdzie ciemnej materii nie ma, weryfikujemy istniejące modele teoretyczne i kierujemy przyszłe badania teoretyczne i prace doświadczalne w obszary, w których ona potencjalnie istnieje” – zaznaczył cytowany w komunikacie prof. Szymon Pustelny.
Zdaniem autorów opracowania wykluczając dużą część badanego obszaru parametrów, eksperyment wskazuje fizykom, gdzie ciemna materia się nie ukrywa i kieruje przyszłe poszukiwania w bardziej obiecujące rejony. Badanie pokazuje też, że sieci sensorów kwantowych mogą działać w skali kontynentalnej, otwierając drogę do jeszcze czulszych testów fundamentalnej fizyki.