Эксперимент занял бы дольше возраста Вселенной. Физики показали, почему детекторы не увидят квантовую природу тёмной материи
NewsMakerИсследователи объяснили, почему новые технологии не раскроют внутреннюю природу кандидата на тёмную материю.
Аксионы могут обладать необычными квантовыми свойствами, но приборы всё равно воспримут их как обычную волну. К такому выводу пришли физики из Чикагского университета, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Тёмная материя не излучает, не поглощает и почти не отражает свет, а с обычным веществом взаимодействует крайне слабо. Учёные судят о её существовании по гравитационному влиянию на звёзды, галактики и крупные структуры Вселенной, однако прямого обнаружения пока не получили.
Одним из кандидатов на роль частиц тёмной материи считаются аксионы. Физики описывают такие сверхлёгкие частицы как поле, которое заполняет пространство и ведёт себя подобно волне. Большинство экспериментов строится на классическом описании аксионного поля, хотя в основе предполагаемой частицы лежит квантовая механика.
Авторы новой работы решили проверить, не теряют ли детекторы важную часть сигнала, когда исследователи считают аксионы классической волной. Для проверки команда построила полностью квантовую модель обнаружения аксионной тёмной материи и сравнила её с привычным классическим подходом.
Расчёты показали неприятный для экспериментаторов результат. Огромное число аксионов могло бы сделать общий сигнал заметным, несмотря на слабое взаимодействие с прибором. Однако собственно квантовые признаки аксионов от большого количества частиц не усиливаются. Напротив, детектор наблюдает множество похожих волн, чьи квантовые особенности усредняются и исчезают в измерении.
Слабая связь аксионов с веществом дополнительно подавляет различия между квантовым и классическим описанием. Квантовые эффекты могли бы проявиться лишь в чрезвычайно малых изменениях сложной статистики сигнала. Реалистичный прибор не сможет выделить такие отклонения, даже если сам использует передовые квантовые технологии.
По оценке исследователей, эксперимент, специально настроенный на поиск внутренней квантовой природы аксионов, пришлось бы проводить значительно дольше возраста Вселенной. Для практических поисков вывод звучит проще: аксионную тёмную материю можно корректно описывать как классическое поле, не опасаясь потерять измеримый сигнал.
Полученный подход применим не только к аксионам, но и к другим сверхлёгким кандидатам на роль тёмной материи, которые распространяются как волны. Авторы также указывают, что похожая логика относится к измерениям гравитационных волн: квантовая природа источника или сигнала не обязательно оставляет различимый след в реальном детекторе.
Аксионы могут обладать необычными квантовыми свойствами, но приборы всё равно воспримут их как обычную волну. К такому выводу пришли физики из Чикагского университета, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Тёмная материя не излучает, не поглощает и почти не отражает свет, а с обычным веществом взаимодействует крайне слабо. Учёные судят о её существовании по гравитационному влиянию на звёзды, галактики и крупные структуры Вселенной, однако прямого обнаружения пока не получили.
Одним из кандидатов на роль частиц тёмной материи считаются аксионы. Физики описывают такие сверхлёгкие частицы как поле, которое заполняет пространство и ведёт себя подобно волне. Большинство экспериментов строится на классическом описании аксионного поля, хотя в основе предполагаемой частицы лежит квантовая механика.
Авторы новой работы решили проверить, не теряют ли детекторы важную часть сигнала, когда исследователи считают аксионы классической волной. Для проверки команда построила полностью квантовую модель обнаружения аксионной тёмной материи и сравнила её с привычным классическим подходом.
Расчёты показали неприятный для экспериментаторов результат. Огромное число аксионов могло бы сделать общий сигнал заметным, несмотря на слабое взаимодействие с прибором. Однако собственно квантовые признаки аксионов от большого количества частиц не усиливаются. Напротив, детектор наблюдает множество похожих волн, чьи квантовые особенности усредняются и исчезают в измерении.
Слабая связь аксионов с веществом дополнительно подавляет различия между квантовым и классическим описанием. Квантовые эффекты могли бы проявиться лишь в чрезвычайно малых изменениях сложной статистики сигнала. Реалистичный прибор не сможет выделить такие отклонения, даже если сам использует передовые квантовые технологии.
По оценке исследователей, эксперимент, специально настроенный на поиск внутренней квантовой природы аксионов, пришлось бы проводить значительно дольше возраста Вселенной. Для практических поисков вывод звучит проще: аксионную тёмную материю можно корректно описывать как классическое поле, не опасаясь потерять измеримый сигнал.
Полученный подход применим не только к аксионам, но и к другим сверхлёгким кандидатам на роль тёмной материи, которые распространяются как волны. Авторы также указывают, что похожая логика относится к измерениям гравитационных волн: квантовая природа источника или сигнала не обязательно оставляет различимый след в реальном детекторе.