დაახლოებით, საუკუნის მანძილზე მეცნიერები ცდილობდნენ ამოეხსნათ ბნელი მატერიის, ანუ ჰიპოთეტური ნივთიერების საიდუმლო, რომელიც, მეცნიერების ვარაუდით, მთელი სამყაროს 80%-ს შეადგენს. თუმცა, აქამდე ჩატარებული ექსპერიმენტებით, მისი არსებობის დადასტურება შეუძლებელი აღმოჩნდა. ახლახან, მკვლევართა გუნდმა ლაბორატორიაში შავი მატერიის კანდიდატის ძებნის პროცესის მკვეთრად ასაჩქარებლად გამოიყენა ახალი ტექნიკა — "კვანტური შეკუმშვის" მეთოდი.

აღმოჩენა, რომელიც დღეს ჟურნალ Nature-ში გამოქვეყნდა, ეხება საოცრად მსუბუქ და ჯერ კიდევ აღმოუჩენელ ნაწილაკს, რომელსაც აქსიონი ეწოდება. თეორიის თანახმად, აქსიონები მილიარდჯერ და ტრილიონჯერ უფრო პატარა ზომისანი არიან, ვიდრე ელექტრონები და სავარაუდოდ, დიდი აფეთქების დროს წარმოიქმნენ საოცრად დიდი რაოდენობით, რაც სამყაროში ბნელი მატერიის დასაგროვებლად სრულიად საკმარისი იყო.

ამ ნაწილაკის ძებნა ძალიან დიდ თივის ზვინში კვანტური ნემსის ძებნას გავს, მაგრამ მისი აღმოჩენის იმედი მაინც არსებობს.

მკვლევრების ახალ პროექტს ჰალოსკოპი იელში, რომელიც აღიქვამს აქსიონის ცივ ბნელ მატერიას (HAYSTAC) ეწოდება, რომლის ფარგლებში ჩატარებული ექსპერიმენტის საფუძველზე შეიძლება იმის თქმა, რომ ახალი ტექნიკის გამოყენება მნშვნელოვნად ზრდის ძიების პროცესის ეფექტიანობას, რაც თერმოდინამიკის კანონებით გამოწვეული დაბრკოლებებისთვის გვერდის ავლას უკავშირდება. მკვლევართა გუნდი შედგება JILA-სა და ბოულდერის კოლორადოს უნივერსიტეტისა დაა სტანდარტებისა და ტექნოლოგიების ეროვნული ინსტიტუტის (NIST) ერთობლივი კვლევითი ინსტიტუტის მეცნიერებისგან.

"ექსპერიმენტის სიჩქარე ორჯერ აღემატება იმ სიჩქარეს, რომლითაც ადრე შეგვეძლო მსგავსი კვლევების ჩატარება", — განმარტავს კელი ბეიქსი, ახალი მოხსენების მთავარი თანაავტორი და იელის უნივერსიტეტის დამამთავრებელი კურსის სტუდენტი.

ახალი მიდგომა მკვლევრებს საშუალებას აძლევს, უკეთ განასხვავონ ერთმანეთისგან პოტენციური აქსიონების წარმოუდგენლად მკრთალი სიგნალები ნებისმიერი სხვა ტიპის ხმაურისგან, რომელიც კოსმოსში სულ პატარა მასშტაბებზე ვრცელდებიან. მათ "კვანტურ ფლუქტუაციებსაც" უწოდებენ. კვლევის თანაავტორის, JILA-ს NIST-ის მკვლევრის, კონრად ლენერტის განცხადებით, მომდევნო რამდენიმე წლის მანძილზე, გუნდის მიერ აქსიონის აღმოჩენის შანსები ისეთივეა, როგორიც ერთი ჩვეულებრივი მოთამაშისთვის ლატარიის მოგების შანსები. თუმცა, ეს მაჩვენებელი მუდმივად იზრდება.

"მას შემდეგ, რაც კვანტურ ფლუქტუაციებს ავუვლით გვერდს, ძებნის პროცესი სულ უკეთესი და ეფექტიანი გახდება", — ამბობს ლენერტი, რომელიც ფიზიკის პროფესორიცაა ბაულდერის კოლორადოს უნივერსიტეტში.

HAYSTAC-ს უძღვება იელის უნივერსიტეტი, რომელიც თანამშრომლობს JILA-სთან და კალიფორნიის უნივერსიტეტთან.

დანიელ პალკენი, ახალი მოხსენების მთავარი თანაავტორი, განმარტავს, რომ აქსიონის პოვნის სირთულე სწორედ იმითაა განპირობებული, რომ იგი იდეალური კანდიდატია ბნელი მატერიისთვის — ეს ნაწილაკი ძალიან მსუბუქია, არის ელექტრულად ნეიტრალური (მუხტის მატარებელი არაა) და თითქმის არასდროს ურთიერთქმედებს ხილულ მატერიასთან.

"მას არ აქვს არც ერთი თვისება, რაც ძირითადად, ნაწილაკის აღმოჩენაში გვეხმარება ხოლმე", — ამბობს პალკენი, რომელმაც JILA-ში დოქტორის წოდება 2020 წელს მიიღო.

თუმცა, ამ ყველაფერს დადებითი მხარეც აქვს: მაგნიტურ ველში გავლისას, აქსიონების მცირე ნაწილი შესაძლოა, სინათლის ტალღებად გარდაიქმნას — და ამის დაფიქსირება უკვე მეცნიერებს ნამდვილად შეუძლიათ. მკვლევრები დიდ ძალისხმევას დებენ მძლავრ კოსმოსურ მაგნიტურ ველებში მსგავსი სიგნალების დაფიქსირებაში, თუმცა, HAYSTAC ექსპერიმენტი მხოლოდ დედამიწიდან იკვლევს მათ.

პროექტი, რომელმაც თავისი პირველი აღმოჩენები 2017 წელს გამოაქვეყნა, იყენებს ულტრა-ცივ აღჭურვილობას იელის კამპუსში, რათა შექმნას მძლავრი მაგნიტური ველი, შემდეგ კი ეცადოს აქსიონების სიგნალის დაფიქსირებას მათი სინათლედ ქცევის დროს. მეცნიერებმა იწინასწარმეტყველეს, რომ აქსიონებს შესაძლოა გამოევლინათ თეორიული მასების ფართო სპექტრი, რომელთაგან თითოეული წარმოქმნიდა სიგნალს სხვადასხვა სიხშირის სინათლის სახით HAYSTAC ექსპერიმენტში. იმისთვის, რომ ნამდვილად იპოვონ ეს ნაწილაკი, მკვლევრებს შესაძლოა მოუხდეთ მთელი რიგი შესაძლებლობების განხილვა და მათგან ყვეაზე ალბათური ვერსიების ამორჩევა.

"თუ თითოეული სუსტი სიგნალის გამოკვლევას დავიწყებთ, ამას შესაძლოა ათასობით წელი დასჭირდეს ",— ამბობს პალკენი.

გუნდისთვის ერთ-ერთ ყველაზე დიდ დაბრკოლებას წარმოადგენს კვანტური მექანიკის კანონები — სახელდობრ, ჰაიზენბერგის განუზღვრელობის პრინციპი, რომელიც გარკვეულწილად ზღუდავს მეცნიერებს მაღალი სიზუსტის დაკვირვებების ჩატარებაში. ამ შემთხვევაში, გუნდს არ შეუძლია ერთდროულად გაზომოს ორი განსხვავებული თვისება სინათლისა, რომელიც აქსიონების მაგნიტურ ველში გავლისას წარმოიქმნება.

თუმცა, HAYSTAC-ის გუნდმა ის გზა აირჩია, რომელიც გვერდს უვლის ამ გარდაუვალ კანონებს. ამისთვის ისინი იყენებენ ხელსაწყოს, რომელსაც ჯოზეფსონის პარამეტრული გამაძლიერებელი ეწოდება. JILA-ს მეცნიერები ამ მოწყობილობას იმ სინათლის "შესაკუმშად" იყენებენ, რომელიც HAYSTAC ექსპერიმენტის ფარგლებში წარმოიქმნდებოდა.

პალკენი განმარტავს, რომ HAYSTAC-ის გუნდს არ სჭირდება ექსპერიმენტში გამოსხივებული სინათლის ორივე თვისების გარკვევა მაღალი სიზუსტით — მხოლო ერთ-ერთი მათგანის გაზომვაც საკმარისი იქნება.

"შეკუმშვა ის გზაა, რომლითაც კვანტურ მექანიკურ ვაკუუმს ვმართავთ ისე, რომ შევძლოთ ერთ-ერთი ცვლადის გაზომვა მაღალი სიზუსტით. თუ ერთდროულად სხვა ცვლადის გაზომვასაც ვეცდებოდით, საბოლოოდ აღმოვაჩენდით, რომ თითოეული მათგანი დაბალი სიზუსტით იქნებოდა გაზომილი", — ამბობს პალკენი.

ამ მეთოდის შესამოწმებლად მკვლევრებმა ჩაატარეს ტესტირება იელში მასათა გარკვეულ სპექტრზე ნაწილაკის მოსაძებნად. მათ ვერაფერი იპოვეს, თუმცა ბეიქსის თქმით, ექსპერიმენტს ადრინდელთან შედარებით ორჯერ ნაკლები დრო დასჭირდა.

"მონაცემების შემოწმებას 100 დღე დავუთმეთ. ზოგადად, ამას 200 დღე მაინც სჭირდება ხოლმე. ამ მეთოდის საშუალებით, მთელი წლის მესამედი დავზოგეთ, რაც ძალიან კარგია", — ამბობს იგი.

ლენერტმა დაამატა, რომ ჯგუფი ამჟამად მუშაობს ახალ გეგმაზე, რათა უფრო ეფექტიანად გააგრძელონ ამ მიუწვდომელი "ნემსის" ძებნა.