압축된 가벼운 액시온 검색

암흑 물질 입자로 추정되는 입자를 탐지하려면 섬세한 전자기 측정이 필요합니다. 양자 한계를 피하는 것이 길을 쉽게 하는 데 도움이 될 수 있다. 양자 세계에서는 불확실성이 도처에 존재한다. 어떤 입자도 완전히 움직이지 않고, 진공도 완전히 비어 있지 않으며, 빛이 완전히 없는 어둠도 없고, 완벽하게 정확한 측정도 없다. 그러나 양자 불확실성은 종종 변수 쌍 사이에서 이동될 수 있다. 하이젠베르크 불확정성 원리는 입자의 위치나 운동량의 불확실성이 아니라 둘의 곱에 하한을 둔다. 따라서, 다른 불확실성을 증가시키는 대가로 그러한 불확실성 중 하나를 줄이는 것이 가능하다. 마찬가지로, 전자파는 양자 불확실성의 영향을 받지만, 그 불확실성이 파동 기간 동안 균등하게 분포될 필요는 없다. 측정하고자 하는 파동 주기의 부분에서 측정과 무관한 부분으로 불확실성을 이동시킬 수 있다. 소위 압축된 빛의 상태는 비선형 광학 장치에 의해 실현될 수 있다.

압축된 빛은 LIGO(레이저 간섭계 중력파 관측소)의 중력파에 대한 민감도를 높이는 데 사용되어 왔다. 그 외에도 실용적인 포트폴리오는 얇다. 이제 헤이스택 실험의 연구원들은 암흑 물질을 구성할 수 있는 가상의 입자 중 하나인 축이온을 찾는 속도를 높이기 위해 압착된 빛을 사용하고 있다. 액시온이 존재한다면, 전자 질량의 10억분의 1도 안 되는 매우 가볍다. 그럼에도 불구하고, 만약 그것들이 충분히 풍부하다면, 그것들은 은하의 회전에 영향을 미치고 빛을 굴절시키기에 충분한 중력을 가질 수 있을 것이다. 다른 암흑 물질 입자들과는 달리, 액시온은 광자와 결합할 수 있다. 결합은 HAYSTAC의 탐지 체계의 기초이다: 액시온은 강한 자기장의 가상 광자와 상호 작용하여 실제 광자로 변환되며, 이 광자는 감지된다. 연구자들이 그런 식으로 신호를 찾을 희망을 갖기 위해, 그들은 공명 공동에서 축이온-광자 결합을 증폭시킨다. 따라서 액시온을 검색하는 것은 라디오를 조정하는 것과 같습니다: 주어진 시간에 실험은 특정 바늘처럼 얇은 광자 주파수 범위와 해당 축이온 질량에만 민감하다. 그리고 이론가들은 축이온 질량이 실제로 무엇인지 거의 알지 못한다: 가능한 질량의 범위는 수십 배에 이른다.

 

불확실성 변화 없이 표준 양자 잡음 한계를 적용한 실험을 통해 전체 범위를 탐색하는 데 수천 년이 걸릴 것이다. 이 경우에 대한 몇 가지 실험에도 불구하고, 연구자들은 지금까지 그림에서 노란색으로 표시된 축이온 질량과 축이온-광자 결합 강도의 매개변수 공간만 갉아먹었다. 몇 년 전, HAYSTAC 연구원들은 압축된 전자기 상태 위에서 축이온 신호를 찾기 위해 실험을 수정했고, 그들의 검출기는 불확실성이 감소된 상태의 부분을 측정하도록 조정되었다. 업그레이드 덕분에, 그들은 이제 표준 양자 한계가 허용하는 것보다 거의 두 배 더 빠르게 매개변수 공간을 검색할 수 있다.

연구진은 아직 액시온을 본 적이 없지만 2019년 말과 2020년 초에 불과 몇 달 동안 데이터를 수집한 결과 그림에서 짙은 파란색으로 표시된 영역은 이미 제외했다. 새로운 양자 기술이 액시온 탐지기에 이용될 수 있게 됨에 따라, 그들은 그들의 스캐닝 속도를 양자 한계의 10배 이상으로 끌어올리기를 희망한다.