Heisenbergsche Unschärfe ausgetrickst: Forscher haben eine Methode entwickelt, die die Suche nach den Teilchen der Dunklen Materie deutlich voranbringen könnte. Denn mithilfe einer „Quantenpresse“ umgehen sie die von der Heisenbergschen Unschärfe und den Quantenfluktuationen gesetzte Grenze. Diese Technik macht unter anderem den HAYSTAC-Detektor sensitiver für Signale von Axionen – die zurzeit favorisierten Kandidaten für die Dunkle-Materie-Teilchen.
Woraus besteht die Dunkle Materie? Über diese Frage rätseln Physiker jetzt seit fast 100 Jahren. Kandidaten für mögliche Teilchen dieser exotischen Materieform gibt es reichlich – das Spektrum reicht von schwach interagierenden massereichen Teilchen (WIMPs) über dunkle Bosonen und Partikel mit exotischen Quark-Kombinationen und bis zu eher leichtgewichtigen Kandidaten wie sterilen Neutrinos oder den zurzeit favorisierten Axionen.
Fahndung nach Axionen
Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, die Milliarden mal leichter sind als ein Elektron und keine Ladung oder Spin besitzen. Zudem wechselwirken diese Teilchen kaum mit normaler Materie und machen sich daher nur über ihre gesammelte Schwerkraftwirkung bemerkbar – so die Theorie. Dumm nur: „Damit haben die Axionen keine der Eigenschaften, über die man ein Teilchen leicht finden kann“, erklärt Ko-Erstautor Daniel Palken vom JILA Institut der University of Colorado.
Es gibt jedoch ein Merkmal, durch das sich die Axionen verraten könnten: Wenn sie durch ein starkes Magnetfeld fliegen, interagiert ein geringer Teil von ihnen mit dem elektromagnetischen Feld und bildet ein Photon. Diese winzigen Lichtsignale lassen sich in speziellen Resonatorkammern verstärken und so für hochempfindliche Detektoren sichtbar machen. Einer dieser Detektoren ist das HAYSTAC-Experiment in New Haven.
„Squeezing“ gegen das Quantenrauschen
Doch die bisherigen Axionen-Detektoren haben ein großes Problem: Die Lichtsignale der Axionen sind so schwach, dass sie weitgehend im Quantenrauschen untergehen. Zudem verhindert die Heisenbergsche Unschärferelation es den Forschern, sowohl die Position als auch die Energie der entstehenden Photonen mit gleicher Präzision zu erfassen – dem Prinzip nach geht nur eines davon, weil die Messung die Parameter verändert.
Eine Lösung dafür haben nun Palken, Kelly Backes von der Yale University und ihre Kollegen gefunden. Sie entwickelten eine Technik, durch die das Licht aus dem HAYSTAC-Resonator quantenphysikalisch „gequetscht“ wird. Dabei werden die Quantenfluktuationen bei einem nicht für die Messung benötigten Merkmal der Lichtsignale erhöht, wodurch das Rauschen in einem anderen Merkmal unter das sonst geltende Quantenlimit gedrückt wird.
Eine ähnliche „Quantenpresse“ hat bereits die Sensitivität der LIGO-Gravitationswellen-Detektoren erhöht und es Physikern möglich gemacht, sogar makroskopische Auswirkungen des Quantenrauschens nachzuweisen.
Mehr Sensitivität und Bandbreite
„Durch das Squeezing können wir das quantenmechanische Vakuum so manipulieren, dass wir eine Variable unseres Signals sehr genau messen können“, erklärt Palken. „Wenn wir allerdings die andere Variable messen wollten, würden wir sehr wenig Präzision finden.“ Konkret führt die am HAYSTAC-Detektor erzielte „Quetschung“ des Lichts dazu, dass das Quantenrauschen beim relevanten Parameter um vier Dezibel verringert wurde.
Dadurch können die Forscher nun solche Lichtsignale über eine breite Bandbreite mit höherer Sensitivität nachweisen können. Das wiederum erhöht die Chancen, das seltene Signal eines umgewandelten Axions in kürzerer Zeit einzufangen. „Es verdoppelt unser bisheriges Suchtempo“, sagt Backes. In einem ersten Test benötigte das Team dadurch nur 100 statt 200 Tage, um einen bestimmten Energiebereich nach Axionensignalen abzusuchen.
Erster Schritt zu noch weitergehenden Optimierungen
Nach Ansicht der Forscher erhöht die quantenphysikalische „Aufrüstung“ von Detektoren die Chancen für einen künftigen Nachweis von Axionen erheblich. „Unsere Arbeit demonstriert, dass die Unvereinbarkeit der sensiblen Quantentechnologie und der harschen Praxis bei der Suche nach neuen Teilchen überwunden werden kann“, so Backes und ihre Kollegen.
Ähnlich sieht es auch Igor Irastorza von der Universität Saragossa. In einem begleitenden Kommentar in „Nature“ schreibt er: „Diese Verbesserung mag relativ gering erscheinen, aber sie ebnet den Weg zu weiteren Fortschritten in der Sensitivität. Je nach Qualität des Squeezings sind fast beliebig große Verbesserungen möglich.“ Die Arbeit von Backes und Team sei daher ein wichtiger erster Schritt hin zu quanten-optimierten Teilchen-Fahndungen. (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03226-7)
Quelle: University of Colorado at Boulder
