Britisk kvantesensor har passert en viktig milepæl i jakten på mørk materie

Forskere ved Imperial College London har for første gang demonstrert at en prototype av en kvantesensor kan kansellere overveldende laserstøy ved å sammenligne to atominterferometre, og dermed gjenopprette svake signaler som ellers ville gått tapt. Fremskrittet, som ble publisert i Nature den 17. juni, validerer en teknikk som ligger til grunn for planer om neste generasjons detektorer som er i stand til å lete etter gravitasjonsbølger fra det tidlige universet og eksotiske former for mørk materie.imperial+2

Hvordan to instrumenter overvinner støyen

Eksperimentet, utført ved Imperial sin Ultracold Strontium Laboratory, brukte to separate skyer av ultrakalde strontium-87-atomer som ble undersøkt av en enkelt klokkelaser. Oppsettet var designet for å etterligne forholdene i mye større fremtidige detektorer, hvor det er langt vanskeligere å kontrollere støy.miragenews

For å stressteste tilnærmingen injiserte teamet bevisst fasestøy som langt oversteg det klokkelasere naturlig produserer. Hvert interferometer ble individuelt ubrukelig, og signalet var fullstendig begravd. Men da de to instrumentene ble sammenlignet, avslørte korrelasjoner mellom dem et tydelig signal. Den kombinerte målingen nådde den fundamentale kvantegrensen, noe som bekreftet at differensialteknikken fungerer slik teoretikere hadde forutsagt.imperial+1

Teamet injiserte deretter et oscillerende signal som lignet på det en passerende gravitasjonsbølge eller et felt av mørk materie kunne produsere. Det ble detektert tydelig, selv om ingen av interferometrene alene inneholdt brukbar informasjon.miragenews+1

– Vi har lenge visst at kvantesensorer kan hjelpe oss med å forstå universet, men det er først nylig at det har blitt mulig å bygge dem med den nødvendige oppløsningen, sa Dr. Charles Baynham, medleder for laboratoriet.miragenews

Oppskalering gjennom AION og videre

Arbeidet er en del av Atom Interferometer Observatory and Network (AION)-samarbeidet, en britisk innsats ledet av Imperial som inkluderer universitetene i Birmingham, Cambridge, Liverpool, King's College London og Oxford, sammen med STFC Rutherford Appleton Laboratory. AIONs trinnvise plan ser for seg skalering fra en 10-meters prototype ved Oxford til 100-meters og etter hvert kilometerlange detektorer.hep.ic+2

Samarbeidet samarbeider også med MAGIS-eksperimentet ved Fermilab i USA og har foreslått Atom Interferometry CERN Experiment (AICE), som ville anvendt lignende teknikker over mye lengre baselinjer.miragenews

– Vårt nåværende eksperiment er bare en prototype, men å skalere det til et fullskalaanlegg ved laboratorier som CERN eller Fermilab vil tillate oss å takle noen av de dypeste mysteriene i fysikken, inkludert naturen til mørk materie, sa Dr. Richard Hobson, laboratoriets andre medleder.miragenews