«Тёмная материя — реальная физическая субстанция»: квантовый компьютер в О’Харе делает технологию осязаемой
Определение природы тёмной материи, невидимой субстанции, составляющей большую часть массы во Вселенной, является одной из величайших загадок физики. Новые результаты, полученные с помощью самого чувствительного в мире детектора тёмной материи LUX-ZEPLIN (LZ), сузили возможности для одного из ведущих кандидатов в тёмную материю: слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP).
«Всегда есть надежда обнаружить новую частицу, но для физики элементарных частиц важно установить границы того, что может представлять собой тёмная материя», — сказал физик-экспериментатор из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Хью Липпинкотт. Учёные десятилетиями подозревали существование тёмной материи, но она остаётся загадочной субстанцией, играющей, тем не менее, фундаментальную роль в структуре Вселенной.
Эксперимент LZ
LZ охотится за тёмной материей из пещеры на глубине почти в милю под землёй в Научно-исследовательском центре Санфорд (SURF) в Южной Дакоте. Новые результаты эксперимента исследуют более слабые взаимодействия тёмной материи, чем когда-либо прежде, и дополнительно ограничивают возможные характеристики WIMP.
Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, анализируют данные за 280 дней: новый набор из 220 дней (собранных между мартом 2023 года и апрелем 2024 года) в сочетании с 60 предыдущими днями из первой серии LZ. Эксперимент планирует собрать данные за 1000 дней до своего завершения в 2028 году.
Внутренняя часть детектора LZ состоит из двух вложенных титановых резервуаров, заполненных 10 тоннами прозрачного чистого жидкого ксенона, который настолько плотный, что создаёт высокоизолированную среду, свободную от «шума» внешнего мира и идеально подходящую для улавливания малейших сигналов, которые могут указывать на WIMP.
Принцип работы LZ
Ожидается, что WIMP столкнётся с ядром ксенона, вызывая его движение, подобно удару битком в бильярде. Собирая свет и электроны, испускаемые во время взаимодействий, LZ фиксирует потенциальные сигналы WIMP наряду с другими данными. Этот жидкий ксеноновый сердечник окружён гораздо более крупным внешним детектором (OD) — акриловыми резервуарами, заполненными жидким сцинтиллятором, загруженным гадолинием.
Чувствительность LZ обусловлена множеством способов, которыми детектор может уменьшить фоновые шумы — ложные сигналы, которые могут выдавать себя за взаимодействие тёмной материи или скрывать его. Глубоко под землёй детектор защищён от космических лучей, приходящих из космоса.
Для уменьшения естественного излучения от повседневных объектов LZ был построен из тысяч сверхчистых деталей с низким уровнем радиации. Детектор построен как луковица, причём каждый слой либо блокирует внешнее излучение, либо отслеживает взаимодействия частиц, чтобы исключить имитацию тёмной материи.
Команда LZ
UCSB была одной из групп-основателей LZ под руководством физика UCSB Гарри Нельсона, который провёл первое собрание LZ в UCSB в 2012 году. В настоящее время команда состоит из преподавателей Липпинкотта и Нельсона, постдокторантов Чами Амарасингхе и TJ Whitis, а также аспирантов Джонгхва Ким, Макайла Траск, Линдси Вельдрейер и Джордан Томас.
Другие участники
Другие участники, внесшие свой вклад в результат, включают недавнего получателя докторской степени Джека Баргеманна, ныне постдокторанта в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, и бывшего студента-исследователя; Таруна Адвайта Кумара, ныне аспиранта в Институте периметра. Координатором физики по результату был Скотт Хазелсвардт, получивший докторскую степень в UCSB в 2018 году и ныне доцент в Мичиганском университете.
Нейтроны и WIMP-сигналы
Нейтроны, субатомные частицы, которые существуют в каждом атоме, кроме водорода, являются одними из наиболее распространённых искажающих факторов сигналов WIMP. Нельсон и UCSB возглавили разработку внешнего детектора LZ — критически важного компонента, который позволяет сотрудничеству исключать эти частицы и делать реальные открытия.
«Сложность работы с нейтронами заключается в том, что они также взаимодействуют с ядрами ксенона, испуская сигнал, идентичный тому, который мы ожидаем от WIMP», — сказала Траск. «OD отлично обнаруживает нейтроны и подтверждает обнаружение WIMP, не давая никакого отклика». Присутствие импульса в OD может отменить идеальный кандидат для обнаружения WIMP.
Чикаго становится центром квантовых вычислений
Чикаго быстро стал центром квантовых вычислений, причём штат Иллинойс и технологические компании вкладывают миллионы долларов в разработку кампуса для создания первого в мире коммерчески жизнеспособного квантового компьютера на юго-восточной стороне города.
Но как выглядит квантовый компьютер? И как они работают?
Эти вопросы призван ответить новый экспонат, представленный в международном аэропорту Чикаго О’Хара. В терминале 1, рядом с массивной моделью скелета динозавра, путешественники всех возрастов останавливались на своих быстрых прогулках по конкорсу, чтобы посмотреть на модель внутренности квантового компьютера, которая напоминает большую золотую люстру с четырьмя «ярусами», медной проводкой и чипом внизу.
На экране на одной стороне стеклопластикового корпуса, защищающего квантовый компьютер, путешественники могли смотреть видео, объясняющее науку, стоящую за ним. Экспонат, который будет представлен как минимум на один год, организован членами Центра STAGE в Школе молекулярной инженерии Прицкера Чикагского университета и IBM, чтобы помочь общественности узнать о квантовых вычислениях в то время, когда Чикаго стал центром исследований и разработок в области квантовых вычислений.
Нэнси Кавале, директор Центра STAGE, сказала, что цель выставки — демистифицировать квантовые вычисления для людей, которые могут быть с ними не знакомы.
«Я не хочу, чтобы люди пугались, не понимая этого, — сказала Кавале. — Когда вы узнаёте о квантовом, это звучит как магия… но это не магия. Это действительно работает, и это было научно доказано».
Кавале имела в виду тот факт, что до недавнего времени квантовые вычисления, основанные на типе физики, называемом квантовой механикой, рассматривались как лишь теоретическая возможность. Однако ситуация меняется, поскольку квантовые компьютеры, такие как разработанный IBM и представленный в аэропорту, вышли из лабораторий и переместились в традиционные центры обработки данных.
Эйвери Линдер, бывший студент Чикагского университета, работавший над выставкой, использовала пример подбрасывания монеты, чтобы объяснить, чем квантовые компьютеры отличаются от суперкомпьютеров и других традиционных компьютеров.
«С квантовыми это как если бы вы подбросили монету, и она была в воздухе, вы, вероятно, не могли бы сказать мне, что это орёл или решка… она находится в двух состояниях существования одновременно», — сказала Линдер.
Она объяснила, что квантовые компьютеры способны уловить эту идею о том, что вещи могут находиться в двух состояниях одновременно, и они могут перестраивать информацию экспоненциально большим количеством способов, чем традиционные компьютеры, которые записывают данные только в виде нулей и единиц и имеют конечное количество способов упорядочить и сообщить информацию.
В будущем ожидается, что способность квантовых компьютеров справляться со сложностью может быть использована для обнаружения заболеваний в одной клетке и диагностики соответствующего лекарства или защиты финансовой информации от даже самых скрытных хакеров.
Линдер, которая окончила Университет Чикаго со степенью бакалавра в мае, теперь работает полный рабочий день в STAC12, стартапе, который она основала, который выращивает алмазы для квантовых вычислительных устройств.
Она является одной из пяти студентов, связанных с Центром STAGE, которые создали веб-сайт, расположенный по адресу flyquantum.stage.uchicago.edu, который сопровождает выставку. Она сказала, что надеется, что выставка сделает квантовые вычисления доступными для всех, даже для тех, кто не посещал несколько семестров математических и физических курсов, как она.
«Кажется, что это то, что вы не сможете понять, пока не пройдёте все эти классы, — сказала Линдер, — но на самом деле это очень доступно… если это объяснено правильно. В этом и был смысл веб-сайта для нас».
Ханхи Пайк, директор центров квантовых алгоритмов в IBM, помогала проектировать квантовый компьютер, представленный в аэропорту, который был представлен IBM в 2017 году.
Она объяснила, что внутренняя часть квантового компьютера имеет многоуровневую конструкцию, похожую на люстру, потому что устройство сродни большому холодильнику, который использует медную проводку для охлаждения каждого уровня и обеспечения того, чтобы чип внизу не был затронут каким-либо «тепловым шумом», который может повлиять на его способность обрабатывать данные.
«Наши квантовые процессоры… в три раза холоднее, чем внешнее пространство, чтобы помочь устранить любой шум, который может мешать вычислениям», — сказала Пайк.
Выставка организована в терминале 1 аэропорта О’Хара компанией United Airlines. Кэтрин Уолтерс-Конте, руководитель отдела программной стратегии и операций общества, которая присутствовала на открытии выставки через несколько минут после того, как сошла с утреннего рейса из Вашингтона, округ Колумбия, сказала, что надеется, что экспозиция вдохновит людей на изучение квантовых вычислений.
«Я думаю, люди слышат о квантовых явлениях в поп-культуре и научной фантастике и не уверены, что это реальная вещь, — сказала Уолтерс-Конте, — но эта выставка призвана заинтересовать людей, чтобы они могли увидеть, что это реальная физическая вещь, и это оборудование, которое используют физики».
new particle, it is important for particle physics that we are able to set bounds on what the dark matter might actually be,\» said UC Santa Barbara experimental physicist Hugh Lippincott. Scientists have suspected the existence of dark matter for decades, but it remains a mysterious substance—one that nevertheless plays a fundamental role in the structure of the universe»,»LZ hunts for dark matter from a cavern nearly one mile underground at the Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota. The experiment’s new results explore weaker dark matter interactions than ever searched before and further limit what WIMPs could be.»,»The results, published in Physical Review Letters, analyze 280 days’ worth of data: a new set of 220 days (collected between March 2023 and April 2024) combined with 60 earlier days from LZ’s first run. The experiment plans to collect 1,000 days’ worth of data before it ends in 2028.»,»The inner portion of the LZ detector consists of two nested titanium tanks filled with 10 tons of transparent pure liquid xenon, which is so dense it creates a highly isolated environment, free from the \»noise\» of the outside world and perfect for capturing the faintest of faint signals that could be indicative of a WIMP.»,»The hope is for a WIMP to knock into a xenon nucleus, causing it to move, much like a hit from a cue ball in a game of pool. By collecting the light and electrons emitted during interactions, LZ captures potential WIMP signals alongside other data. This liquid xenon core is surrounded by a much larger Outer Detector (OD)—acrylic tanks filled with gadolinium-loaded liquid scintillator.»,»LZ’s sensitivity comes from the myriad ways the detector can reduce backgrounds, the false signals that can impersonate or hide a dark matter interaction. Deep underground, the detector is shielded from cosmic rays coming from space.»,»To reduce natural radiation from everyday objects, LZ was built from thousands of ultraclean, low-radiation parts. The detector is built like an onion, with each layer either blocking outside radiation or tracking particle interactions to rule out dark matter mimics. And, sophisticated new analysis techniques help rule out background interactions.»,»UCSB was one of the founding groups in LZ, led by UCSB physicist Harry Nelson, who hosted the first LZ meeting at UCSB in 2012. The team currently consists of faculty members Lippincott and Nelson, postdoctoral researchers Chami Amarasinghe and TJ Whitis, and graduate students Jeonghwa Kim, Makayla Trask, Lindsey Weeldreyer, and Jordan Thomas.»,»Other contributors to the result include recent Ph.D. recipient Jack Bargemann, now a postdoctoral researcher at Pacific Northwest National Laboratory, and former undergraduate researcher; Tarun Advaith Kumar, now a graduate student at the Perimeter Institute. The physics coordinator for the result was Scott Haselschwardt, who received his Ph.D. from UCSB in 2018 and is now an assistant professor at the University of Michigan.»,»Neutrons, subatomic particles that exist in every atom save hydrogen, are among the most common confounders of WIMP signals. Nelson and UCSB led the design of LZ’s Outer Detector, the critical component that allows the collaboration to rule out these particles and enable a real discovery.»,»\»The tricky thing about neutrons is that they also interact with the xenon nuclei, giving off a signal identical to what we expect from WIMPs,\» Trask said. \»The OD is excellent at detecting neutrons, and confirms a WIMP detection by not having any response.\» Presence of a pulse in the OD can veto an otherwise perfect candidate for a WIMP detection.»,»Radon is also a WIMP mimic, for which the scientists must be vigilant. \»Radon undergoes a particular sequence of decays, some of which could be mistaken for WIMPs,\» Bargemann said. \»One of the things we were able to do in this run was look out for the whole set of decays in the detector to identify the radon and avoid confusing them for WIMPs.\»»,»To enable a strong result and eliminate unconscious bias, the LZ collaboration applied a technique called \»salting,\» which adds fake WIMP signals during data collection. By camouflaging the real data until \»unsalting\» at the very end, researchers can avoid unconscious bias and keep from overly interpreting or changing their analysis.»,»\»We’re pushing the boundary into a regime where people have not looked for dark matter before,\» said Haselschwardt. \»There’s a human tendency to want to see patterns in data, so it’s really important when you enter this new regime that no bias wanders in. If you make a discovery, you want to get it right.\»»,»With these results, the field of possibilities for what WIMPs may be has narrowed dramatically, allowing all scientists searching for dark matter to better focus their searches and reject incorrect models of how the universe operates. It’s a long game, with more data collection in the future and one that will do more than accelerate the search for dark matter.»,»\»Our experiment is also sensitive to rare events with roots in diverse areas of physics,\» Amarasinghe said. \»Some examples are solar neutrinos, the fascinating decays of certain xenon isotopes, and even other types of dark matter. With the intensity of this result behind us, I’m very excited to spend more time on these searches.\»»,»\»The UCSB Physics Department has a long history of devising searches for dark matter, starting with one of the first published results of a search in 1988,\» Nelson said. Previous faculty members include David Caldwell (now deceased), and Michael Witherell, now director of the Lawrence Berkeley Laboratory. David Hale (now retired) pioneered many of the techniques for suppressing fake dark matter signals which are now employed throughout the field of dark matter searches.»,»\»UCSB, through the Physics Department, the College of Letters and Science, the administration, and through private donations, has strongly supported the dark matter effort for decades, and made substantial contributions to LZ.\»»,»LZ is a collaboration of roughly 250 scientists from 38 institutions in the United States, United Kingdom, Portugal, Switzerland, South Korea, and Australia; much of the work building, operating, and analyzing the record-setting experiment is done by early career researchers.»,»The collaboration is already looking forward to analyzing the next data set and using new analysis tricks to look for even lower-mass dark matter. Scientists are also thinking through potential upgrades to further improve LZ, and planning for a next-generation dark matter detector called XLZD.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of California — Santa Barbara\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник