Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Piąty stan materii pomaga w poszukiwaniu ciemnej materii. Hiszpanie stworzyli nowy komagnetometr

Recommended Posts

Hiszpańscy naukowcy stworzyli nowy atomowy magnetometr (komagnetometr) do pomiaru precesji spinu. Urządzenie zostanie wykorzystane do poszukiwania aksjonów, hipotetycznych cząstek tworzących ciemną materię. Nowy czujnik wykorzystuje dwa różne stany kwantowe ultrazimnych atomów rubidu. Dzięki temu dochodzi do zniesienia wpływu zewnętrznych pól magnetycznych, co pozwala naukowcom skupić się na egzotycznych interakcjach zależnych od spinu.

Niektóre z hipotez dotyczących ciemnej materii mówią o istnieniu aksjonów, hipotetycznych cząstek zaproponowanych w latach 70., które pozwalają rozwiązać problemy odnoszące się do chromodynamiki kwantowej. Jeśli aksjony istnieją, to mogą pośredniczych w egzotycznych interakcjach pomiędzy spinami.

Interakcje takie powinny być słabe, ale – przynajmniej teoretycznie – można je zmierzyć za pomocą specjalnego atomowego magnetometru zawierającego znajdujące się w tym samym miejscu dwa różne wykrywacze pola magnetycznego. Urządzenie takie jest tak dostrojone, by znosić wpływ zewnętrznych pół magnetycznych w obu detektorach. Zatem pojawiające się tam sygnały powinny pochodzić z interakcji spinów mających miejsce w samym detektorze.

Nowy rodzaj czujnika opracowali naukowcy z Instytutu Nauk Fotonicznych w Barcelonie (Institut de Ciències Fotòniques): Pau Gomez, Ferran Martin, Chiara Mazzinghi, Daniel Benedicto Orenes, Silvana Placios i Morgan Mitchell. Wykorzystali przy tym atomy rubidu-87, których spiny znajdują się w dwóch różnych stanach i różnie reagują na pola magnetyczne.

Wspomniane atomy zostały schłodzone niemal do zera absolutnego i tworzą kondensat Bosego-Einsteina. Gdy atomy znajdują się w tym stanie, istnieje niewielkie ryzyko,że interakcje zostaną zakłócone przez czynniki termicnze. To zaś oznacza, że przez kilkanaście sekund spin atomów w sposób spójny reaguje na interakcje spinów. Jako, że sam kondensat zajmuje niewiele przestrzeni, zaledwie 10 mikronów średnicy, zwiększa to czułość urządzenia i pozwala badać interakcje pomiędzy aksjonami odbywające się na niewielkiej przestrzeni.

Reakcja spinów na pole magnetyczne jest mierzona za pomocą spolaryzowanego światła i sprawdzaniu, w jaki sposób zmieniła się jego polaryzacja. Porównanie wyników z dwóch różnych spinów pozwala na usunięcie wpływu zewnętrznych pól magnetycznych. Pozostaje wówczas tylko wpływ wewnętrzny, wywoływany przez aksjony.

Dotychczas nowy magnetometr nie wykazał istnienia aksjonów. Udało się jednak udowodnić, że jest on wysoce odporny na zakłócenia ze strony zewnętrznych pól magnetycznych. To zaś oznacza, że może pracować wraz z innymi magnetometrami używanymi do poszukiwania aksjonów.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Stany spinów splątanych atomów erbu znajdujących się w krysztale mogą być indywidualnie kontrolowane i odczytywane, donosi na łamach Science Jeff Thompson i jego koledzy z Princeton University. Naukowcom udało się dokonać pomiarów indywidualnych jonów znajdujących się w bardzo bliskiej odległości. Opracowana przez nich technika może pozwolić na stworzenie nowych urządzeń kwantowych, które zostaną zintegrowane w sieciach telekomunikacyjnych.
      Niektóre zanieczyszczenia o skali atomowej występujące w kryształach mają spiny, które są w stanie przetrwać przez długi czas, dzięki czemu mogą pełnić rolę kubitów służąc do przechowywania informacji. Gdy zanieczyszczenia te występują wystarczająco blisko siebie, to ich spiny ulegają splątaniu. Splątanie to można zaś wykorzystać do stworzenia bramek logicznych kwantowych komputerów.
      Problem jednak w tym, że odległość potrzebna do wystąpienia splątania jest zwykle znacznie poniżej limitu dyfrakcji światła widzialnego. To zaś oznacza, że lasery wykorzystywane do kontroli i odczytywania spinów nie są w stanie odróżnić spinów indywidualnych zanieczyszczeń.
      Jedną z obiecujących metod obejścia problemu jest wykorzystanie w roli zanieczyszczeń jonów erbu. Zachowują one spin przez długi czas i wchodzą w interakcje ze światłem o długości fali używanej w telekomunikacji. Najważniejsze jednak, że każdy z jonów erbu w krysztale doświadcza losowego statycznego przesunięcia energii przejścia optycznego. To zaś oznacza, że nawet jeśli grupa jonów erbu jest tak blisko siebie, że nie możemy odróżnić poszczególnych jonów, to ich spiny można kontrolować i odczytywać za pomocą różnych długości fali, które absorbują i emitują po oświetleniu laserem.
      Thompson i jego grupa wzbogacili kryształ ortokrzemianiu itru jonami erbu. Całość umieścili w krzemowej fotonicznej wnęce optycznej, która wzmacniała emisję światła z jonów i tym samym ułatwiała odczytanie ich spinów. Z setek jonów erbu w próbce uczeni wybrali sześć znajdujących się blisko siebie i dobrali długości fali lasera tak, by odpowiadały każdemu z jonów. W ten sposób byli w stanie łatwo kontrolować i odczytywać stany spinowe indywidualnych jonów.
      Amerykanie mają nadzieję, że ich technikę uda się skalować i dostosować do jonów wielu innych pierwiastków. Największą zaletą ich metody jest możliwość łatwej jej integracji z istniejącą infrastrukturą telekomunikacyjną. Technologia taka może już w najbliższej przyszłości posłużyć do tworzenia bezpiecznych sieci telekomunikacyjnych i znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Polski, USA i Niemiec uważają, że można wykorzystać globalną sieć czujników kwantowych oraz zegary atomowe systemu GPS do rejestrowania hipotetycznych egzotycznych pól o niskiej masie (ELF), sygnałów pochodzących z łączenia się czarnych dziur i innych gwałtownych wydarzeń astronomicznych. Wykrycie takich sygnałów dawałoby istotny wgląd w fizykę wykraczającą poza Model Standardowy.
      Andrei Derevianko z University of Nevada i jego zespół, w pracach którego udział bierze Szymon Pustelny z Uniwersytet Jagiellońskiego, opublikowali pracę, w której wyliczają właściwości ELF i mówią gdzie oraz jak ich szukać.
      Astronomia wielokanałowa (multimessenger astronomy), to skoordynowane obserwacje różnych sygnałów pochodzących z tego samego źródła. Obserwacje takie zapewniają duże bogactwo danych na temat procesów astrofizycznych. Dotychczas astronomia wielokanałowa odbierała skorelowane sygnały ze znanych oddziaływań podstawowych i standardowych cząstek, jak promieniowanie elektromagnetyczne, neutrina czy fale grawitacyjne. Jednak wielu autorów sugeruje, że istnieją egzotyczne pola o niskiej masie ( <-2), czytamy w pracy opublikowanej na łamach Nature.
      W naszej pracy wykażemy, że sieć precyzyjnych czujników kwantowych, które są izolowane od wpływu konwencjonalnych sygnałów fizycznych, może być potężnym narzędziem astronomii wielokanałowej. Rozważamy tutaj sytuację, w której wysokoenergetyczne wydarzenia astrofizyczne wywołują intensywne rozbłyski egzotycznych pól o niskiej masie (ELF) i proponujemy nowy model wykrywania ELF bazujący na generalnych założeniach. Wyliczamy tutaj amplitudy sygnałów EFL, opóźnienia, częstotliwości i odległości od źródeł fal grawitacyjnych, które to sygnały mogą zostać zarejestrowane przez globalną sieć magnetometrów i zegarów atomowych. Stwierdziliśmy, że sieci takich urządzeń mogą działać jak teleskopy ELF, wykrywając sygnały ze źródeł, które generują ELF.
      Czarne dziury i gwiazdy neutronowe mają silne pola grawitacyjne, zatem można przypuszczać, że przyciągają ciemną materię. Wiele rozszerzeń Modelu Standardowego sugeruje, że wokół wielkich masywnych obiektów astrofizycznych, jak czarne dziury, mogą gromadzić się ELF. Gdy czarne dziury się łączą i dochodzi do uwolnienia olbrzymich ilości energii, część z tych ELF może zostać rozerwana i wyrzucona w kierunku Ziemi. Możemy więc spróbować je wykryć i badać.
      Jednak sposób badania ELF będzie zależał od ich natury. Derevianko uważa, że jedną z metod może być wykorzystanie zegarów atomowych. ELF mogą wpłynąć na odległości pomiędzy powłokami elektronowymi, co wpłynie na częstotliwość pracy zegara atomowego. Globalna sieć zegarów atomowych już istnieje. Urządzenia takie mają na pokładzie satelity systemu GPS. Można by ją więc wykorzystać do wykrywania ELF, których źródło znajduje się w dowolnym miejscu obserwowalnego wszechświata.
      Jest jeszcze inna możliwość obserwacji ELF. Naukowcy przypuszczają, że pola te mogą wchodzić w interakcje ze spinami atomów, zatem mogą być wykrywane przez magnetometry. Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics (GNOME) to sieć 13 stacji rozsianych na 4 kontynentach. Co prawda, jak zauważa Derevianko, obecnie magnetometry te nie są wystarczająco czułe, by wykryć ELF, ale w przyszłości mogą osiągnąć wymaganą czułość, gdyż są ciągle udoskonalane.
      Uczeni nie znają dokładnej natury sygnałów pochodzących z ELF, w końcu samo istnienie pól jest jedynie hipotezą, jednak przewidują niektóre z ich właściwości. Ich zdaniem cząstki będące nośnikami sygnału mają dużą energię i bardzo niską masę. W związku z tym przemieszczają się niemal z prędkością światła. Co więcej, uważają, że jako pierwsze dotrą do nas elementy o wysokiej częstotliwości. To zaś będzie zapowiedzią impulsu, który trafi na Ziemię wkrótce po dotarciu fal grawitacyjnych.
      Zdaniem zespołu Derevianko, naukowcy mogą szukać ELF w wydarzeniach, którym nie towarzyszy fala grawitacyjna, np. w wybuchach supernowych. A jeśli np. uda się znaleźć w zegarach atomowych systemu GPS ślady ELF pochodzących z połączenia czarnych dziur, to można przeanalizować dane historyczne, sprzed okresu, gdy byliśmy w stanie wykrywać fale grawitacyjne.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W lutym i marcu do amerykańskiego Fermilab dostarczono trzy zestawy miedzianych płyt, które natychmiast zostały zabrane do magazynu znajdującego się 100 metrów pod ziemią. Miedź wydobyto w Finlandii, walcowano w Niemczech i dostarczono do USA, a wszystko odbyło się w ciągu zaledwie 120 dni. Pośpiech był bardzo wskazany. Miedź posłuży do wykrywania ciemnej materii i musi być jak najbardziej czysta, a każdy dzień, jaki spędziła na powierzchni ziemi przyczyniał się do jej zanieczyszczenia.
      Jak wyjaśnia Dan Bauer z Fermilab, powierzchnia Ziemi jest zalewana ciągłym deszczem promieni kosmicznych. Gdy pochodzące z kosmosu cząstki uderzają w atomy miedzi, wybijają z nich protony i neutrony. Powstaje kobalt-60. Jest on radioaktywny, a więc niestabilny, zatem spontanicznie rozpada się na inne cząstki. Dla codziennego użycia miedzi nie ma to żadnego znaczenia, jednak wspomniane płyty zostaną wykorzystane w eksperymencie o nazwie Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), więc Bauer i jego koledzy muszą być pewni, że miedź jest jak najbardziej czysta.
      Eksperyment SuperCDMS będzie prowadzony w podziemnym laboratorium SNOLAB z Kanadzie. Z płyt powstanie sześć naczyń przypominających duże puszki na napoje. Będą one wchodziły jedna w drugą. Najbardziej wewnętrzne z naczyń będzie zawierało germanowe i krzemowe urządzenia, których zadaniem będzie wykrywanie WIMP-ów, czyli masywnych słabo reagujących cząstek. Naukowców szczególnie interesują WIMP o masie mniejszej niż 1/10 masy protonu.
      Średnica najbardziej zewnętrznej „puszki” wyniesie nieco ponad 1 metr. Całość, zwana SNOBOX, będzie podłączona do specjalnego urządzenia, które schłodzi germanowe i krzemowe czujniki do ułamków stopnia powyżej zero absolutnego. W takich temperaturach drgania wywołane przepływem ciepła są tak minimalne, że urządzenia powinny zarejestrować drgania spowodowane uderzeniem WIMP-a w atom. Bauer mówi, że cały eksperyment jest poszukiwaniem igły w stogu siana. W najlepszym wypadku uda nam się zarejestrować może kilka WIMP rocznie.
      Eksperyment prowadzony będzie dwa kilometry pod ziemią. Czujniki zostaną zamknięte we wspomnianych miedzianych puszkach, a całość będzie dodatkowo chroniona warstwami ołowiu, plastiku i wody. Wszystko po to, by powstrzymać wszelkie inne cząstki – z wyjątkiem WIMP – przed dotarciem do czujników. Jednak pomiędzy czujnikami a miedzią nie będzie żadnej bariery. Dlatego właśnie miedź musi być jak najczystsza. Wszystkie zanieczyszczenia mogą bowiem generować w czujnikach dodatkowe sygnały. Właśnie dlatego naukowcy starają się, by miedź jak najkrócej przebywała na powierzchni ziemi, żeby nie powstawał w niej kobalt-60.
      Jednak kobalt nie nie jedyny problem. W skorupie ziemskiej występuje wiele radioaktywnych izotopów uranu, toru czy potasu. Zatem już samo źródło miedzi, kopalnia, musiało być jak najczystsze. Problemem mogą być też pierwiastki, które nie są radioaktywne. Wszelkie znajdujące się w miedzi zanieczyszczenia zmniejszają jej zdolność do odprowadzania ciepła, co utrudni utrzymanie odpowiednio niskiej temperatury czujników. Czystość SuperCDMS musi wynosić ponad 99,99%. Zanieczyszczenia radioaktywne zaś mogą stanowić tam mniej niż 0,1 części na miliard.
      Mimo najlepszych starań fińskich i niemieckich specjalistów, nie wszystkie zanieczyszczenia można z miedzi wyeliminować. Chociażby dlatego, że do końca nie wiemy, jakie procesy zachodzą w miedzi podczas jej obróbki. Dlatego też, gdy płyty dotarły do Fermilab zostały pobrane z nich próbki, które trafiły do Pacific Northwest National Laboratory. Tam przeprowadzono testy, mające na celu dokładne opisanie pozostałych zanieczyszczeń.
      Wkrótce płyty wyjadą z Fermilab do zakładu, gdzie powstaną z nich „puszki”. Znajdą się wówczas na powierzchni, więc „kobaltowy zegar” będzie tykał. Zatrzyma się dopiero gdy całość trafi do podziemnego laboratorium w Kanadzie.
      Ostatnią czynnością, jaką wykonamy przed zabraniem ich pod ziemię będzie spryskanie ich kwasem, który usunie z nich kilkadziesiąt mikrometrów powierzchni, mówi Bauer. Kwas ten to mieszanina wody utlenionej i rozcieńczonego kwasu solnego. Następnie całość zostanie pokryta słabym roztworem kwasu cytrynowego, który będzie chronił „puszki” przed utlenianiem w czasie prowadzenia eksperymentu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Splątanie kwantowe to fascynujące zjawisko leżące u podstaw tworzonych właśnie systemów do kwantowej komunikacji, kwantowych obliczeń czy kwantowych czujników środowiskowych. Stan splątany dwóch cząstek oznacza, że mierząc jedną z cząstek możemy poznać właściwości drugiej, mimo że są one od siebie znacznie oddalone i nie ma między nimi kontaktu.
      Naukowcy z Uniwersytetu w Kopenhadze splątali właśnie mechaniczny oscylator ze spinem grupy atomów. Ich osiągnięcie kładzie podwaliny pod osiągnięcie stanu splątanego odmiennych systemów, co z kolei może posłużyć m.in. do budowy komputerów kwantowych.
      Przed około dekadą zaproponowaliśmy teoretyczny sposób na splątanie mechanicznego oscylatora z oscylatorem spinowym za pomocą fotonów. Wykorzystaliśmy przy tym zasadę, która została później nazwana „wolnymi podprzestrzeniami mechaniki kwantowej” lub „trajektoriami bez kwantowych nieoznaczoności". W naszym najnowszym artykule donosimy o eksperymentalnym zaimplementowaniu naszej teorii, mówi profesor Eugene S. Polzik, który stał na czele grupy badawczej.
      W celu uzyskania splątania pomiędzy systemem mechanicznym a spinowym Polzik i jego zespół wykorzystali fakt, że w stanie wzbudzonym dochodzi do redukcji energii spinowego oscylatora, co można postrzegać jako posiadanie przezeń jako posiadanie „ujemnej masy”.
      Splątanie pomiędzy systemem mechanicznym a spinowym uzyskujemy poprzez wysłanie światła pomiędzy oboma systemami: mechanicznym oscylatorem o masie dodatniej i spinowym oscylatorem o efektywnej masie ujemnej. Wykonanie pomiaru tego światła wprowadza oba systemy w stan splątany. Kolejne powtarzalne pomiary potwierdzają splątanie pokazując, że kwantowe fluktuacje w obu systemach są silnie ze sobą skorelowane, mówi Polzik.
      Eksperyment może też wskazywać, iż możliwe jest poradzenie sobie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Jak mówi profesor Polzik, wykorzystanie „masy ujemnej” może bowiem pozwolić na osiągnięcie nieograniczonej dokładności pomiaru.
      Zespół Polzika przygotowuje teraz eksperyment, którego celem będzie wykazanie potencjalnej przydatności opisanych powyżej badań do udoskonalenia wykrywaczy fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO.
      Szczegóły badań zostały opublikowane w artykule Entanglement between distant macroscopic mechanical and spin systems

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rozpoczyna się rozruch najbardziej czułego wykrywacza ciemnej materii LUX-ZEPLIN. W ubiegłym miesiącu amerykański Departament Energii oficjalnie uznał, że budowa instalacji została ukończona. Teraz pozostaje ją uruchomić i rozpocząć eksperymenty.
      LUX-ZEPLIN (LZ) wykorzysta 10 ton ciekłego ksenonu do poszukiwania sygnałów pochodzących ze słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP). WIMP to hipotetyczne – ich istnienia nie udowodniono – cząstki tworzące ciemną materię. LZ ma wykrywać obecność WIMP poprzez rejestrowanie rozbłysków światła, jakie mają się pojawiać, gdy WIMP wejdzie w interakcję z atomem ksenonu.
      Kończymy odbiór LZ. Jesteśmy obecnie w fazie testów. W przyszłym roku chcemy uzyskać pierwsze dane z LZ, mówi Simon Fiorucci, fizyk z Lawrence Berkeley National Laboratory, który jest menedżerem ds. operacyjnych LZ.
      LUX-ZEPLIN to następca opisywanego przez nas urządzenia LUX (Large Underground Xenon). LUX zakończył poszukiwania ciemnej materii w 2016 roku, a w roku 2017 rozpoczęto budowę LUX-ZEPLIN. Urządzenie umieszczono w tym samym miejscu, w którym znajdował się LUX, czyli w znajdującym się 1,5 kilometra pod ziemią Sanford Underground Research Facility w Południowej Dakocie.
      LUX nie znalazł ciemnej materii. Jednak naukowcy się nie poddają, stąd pomysł na LUX-ZEPLIN. Nowe urządzenie jest 100-krotnie bardziej czułe od LUX, między innymi dlatego, że używa 10 ton ksenonu. W LUX wykorzystywano 300 kg ksenonu. Ponadto rozbłyski, do jakich ma dochodzić przy zderzeniu WIMP z jądrami ksenonu będą rejestrowane przez 500 czujników. To 4-krotnie więcej niż w LUX.
      W pracach nad LZ brali udział specjaliści ze SLAC National Accelerator Laboratory, których zadaniem było usunięcie kryptonu z ksenonu. Jego śladowe ilości pozostają bowiem po standardowych procedurach oczyszczających. Za budowę systemu oczyszczającego i schładzającego ksenon byli z kolei odpowiedzialni eksperci z Fermilab, których zadaniem było też stworzenie narzędzi do analizy danych. Z kolei wspomniane czujniki to wspólne dzieło uczonych ze SLAC i Berkeley lab.
      W budowie LZ brali też udział eksperci spoza Stanów Zjedoczonych. Brytyjczycy i Włosi zbudowali pojemnik na ksenon. Powstał on z ultra czystego tytanu, co pozwoliło na dalszą redukcję szumów tła. To jednak nie jedyna osłona przed niekorzystnym wpływem czynników zewnętrznych. Tytanowy pojemnik z 10 tonami ksenonu znajduje się w drugim, większym pojemniku. To zbiornik osłonowy wypełniony scyntylatorem, którego zadaniem jest dodatkowa osłona przed promieniowaniem.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...