Tamna tvar smatra se jednom od ključnih nepoznanica suvremene fizike. Ne emitira, ne apsorbira i ne reflektira svjetlost te s običnom tvari stupa u interakciju vrlo slabo, zbog čega je nije moguće izravno otkriti uobičajenim tehnologijama kojima fizičari proučavaju čestice. Budući da još nikada nije opažena, njezin točan sastav i dalje je otvoreno pitanje. Jedna od predloženih teorija pretpostavlja da bi tamna tvar mogla biti građena od vrlo lakih čestica mase manje od 1 eV (elektronvolt), koje se u ponašanju približavaju valovima više nego klasičnim česticama.
Istraživači sa Sveučilišta u Tokiju i Sveučilišta Chuo razmotrili su mogućnost traženja tamne tvari mase ispod GeV koristeći kvantne senzore, napredne sustave koji se oslanjaju na kvantnomehaničke učinke kako bi registrirali iznimno slabe signale. U radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters opisuju kako bi takvi sustavi mogli omogućiti praćenje brzine i smjera iz kojeg dolazi lagana tamna tvar.
“Pregledavao sam nedavne radove u kategoriji kvantne fizike na arXiv-u i primijetio da je distribuirano kvantno osjetilno mjerenje postalo prilično popularna tema”, rekao je Hajime Fukuda, prvi autor rada, za Phys.org. “Zatim smo se pitali možemo li tu tehnologiju primijeniti u našem području (odnosno fizici visokih energija) i došli na ideju da je iskoristimo za detekciju tamne tvari.”
Zašto je brzinu teško “vidjeti” kod lagane tamne tvari
Studija Fukude i njegovih kolega nastala je s ciljem povezivanja recentnih pomaka u kvantnom inženjerstvu s potrebama fizike čestica, ponajprije u kontekstu potrage za tamnom tvari. U potrazi za hipotetskim teškim česticama tamne tvari istraživači su se dosad uglavnom oslanjali na pokušaje hvatanja vrlo slabih vibracija ili signala koji bi nastali kada bi se takve čestice sudarile s određenim materijalima, atomima ili jezgrama unutar detektora. U takvom okviru ideja mjerenja brzine prirodno se nameće, iako je eksperimentalno iznimno zahtjevna.
“Kada se primjenjuju takvi pristupi, jednostavno je mjeriti brzinu tamne tvari, iako je to eksperimentalno, naravno, teško”, rekao je Fukuda. “Za laku tamnu tvar, međutim, obično koristimo pobudu nekog diskretnog moda, tako da nije moguće vidjeti brzinu. Uočili smo da brzinu lake tamne tvari možemo mjeriti ne mjerenjem prostorno razvučenih signala (tragova odstupanja), nego mjerenjem pomoću prostorno razvučenih detektora.”
Autori zato predlažu strategiju koja bi, barem u načelu, mogla dati dvije informacije koje su u dosadašnjim pristupima bile teško dostupne istodobno: brzinu tamne tvari i smjer iz kojeg dolazi. Ključ ideje je u uporabi više detektora tamne tvari te kvantnog protokola mjerenja koji omogućuje da se prikupljeni signali tretiraju kao podaci kvantnih senzora. Iz takvih podataka, navode, moglo bi se izdvojiti informacije o brzini i smjeru čestica tamne tvari.
Mreža kvantnih senzora kao općenitiji pristup
Fukuda i kolege proveli su niz analiza kako bi procijenili potencijal predloženog pristupa. Zaključuju da bi metoda mogla značajno povećati osjetljivost detektora u potrazi za laganom tamnom tvari. Uspoređujući svoj prijedlog s ranijim radovima, ističu da su postojali i drugi načini traženja lagane tamne tvari, primjerice koncepti koji se oslanjaju na izduženi detektor ili na klasičnu mrežu detektora.
“Raniji radovi uveli su druge metode za traženje lake tamne tvari, koje su se, primjerice, oslanjale na izduženi detektor ili klasičnu mrežu detektora”, objasnio je Fukuda. “Međutim, te metode ovise o detaljnoj vrsti interakcije, dok se naša metoda oslanja na mrežu kvantnih senzora i mnogo je općenitija. Također, osjetljivost postignuta našom metodom je bolja.”
Autori navode da bi se njihov pristup mogao dodatno razraditi i potom provjeriti u stvarnim eksperimentalnim uvjetima. Ujedno očekuju da bi rad mogao potaknuti širu zajednicu istraživača u fizici čestica i fizici visokih energija da detaljnije istraži mogućnosti kvantnih osjetilnih sustava, ne samo za detekciju tamne tvari nego i za precizna mjerenja povezana s drugim česticama.
“Pokazali smo da kvantne metode mogu imati važnu ulogu u fizici visokih energija”, dodao je Fukuda. “Mislim da bi u našem području moglo biti i drugih primjena kvantnih senzora i uzbuđen sam što ću nastaviti istraživati tu mogućnost. U našim sljedećim studijama mogli bismo dodatno poboljšati metodu i pokušati mjeriti ne samo brzinu nego i raspodjelu tamne tvari pomoću mreže senzora.”
Napomena o terminologiji: Moram spomenuti da u tekstu je zadržan izraz “lagana tamna tvar” kao prirodan prijevod engleskog “light dark matter”, uz dosljedno značenje da je riječ o scenarijima vrlo male mase čestica, uključujući raspon ispod 1 eV te “sub-GeV” područje navedeno u radu.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
