Fyysikot pyydystävät pimeän aineen näkymätöntä hiukkasta superherkällä kvantti-ilmaisimella

Pimeän aineen olemassaolosta on tiedetty jo lähes sadan vuoden ajan, mutta sitä ei ole onnistuttu suoraan havaitsemaan. Pimeän aineen koostumuksesta onkin paljon erilaisia teorioita. Fysiikan nobelisti Frank Wilczek nimesi yhden mahdollisen pimeän aineen hiukkasen aksioniksi (englanniksi axion) – pyykinpesuainemerkin mukaan – koska hän ajatteli hiukkasen voivan ”pestä pois” pimeän aineen arvoituksen.

Vaikka aksioniakaan ei ole vielä havaittu kokeellisesti ja pimeä aine on edelleen mysteeri, Wilczekin ajatukset ovat kuitenkin inspiroineet uuden mittavan fysiikan tutkimushankkeen. Kuusivuotisen DarkQuantum-hankkeen tarkoituksena on todistaa aksionien olemassaolo osoittamalla pimeän aineen näkymätön halosignaali.

Euroopan tutkimusneuvosto (ERC) on myöntänyt DarkQuantum-hankkeelle kaikkiaan 12,9 miljoonan euron Synergy Grant -rahoituksen, josta Aalto-yliopiston osuus on noin kaksi miljoonaa euroa. ERC Synergy Grant -rahoitus on kaikkiaan Aallon toinen ja Suomen kolmas. Aalto-yliopiston osuutta tutkimuksessa johtaa vanhempi yliopistonlehtori ja dosentti Sorin Paraoanu tutkimusryhmineen.

Hanketta koordinoi espanjalaisen Zaragozan yliopiston professori Igor Garzia Irastorza, ja mukana on myös Ranskan kansallinen tutkimuskeskus, saksalainen Karlsruhe Institute of Technology sekä muun muassa Max Planck -instituutti ja Espanjan kansallinen tutkimusneuvosto.

DarkQuantum-hankkeessa hyödynnetään uusinta kvanttiteknologiaa erittäin herkkien ilmaisimien rakentamiseksi sekä parhaita teoreettisia malleja kokeellisen työn tekemiseksi.

"Joidenkin teorioiden mukaan aksioneja on vaikea havaita, koska niiden vuorovaikutus muiden hiukkasten kanssa on niin heikkoa. Mutta niiden olemassaolo on teoriassa kuitenkin mahdollista havaita painovoimakenttien avulla. Tarvitaan nykyistä herkempiä värähtelijöitä ja kvantti-ilmaisimia”, Paraoanu sanoo.

Hankkeessa hyödynnetään kvantti-ilmiöitä, joiden avulla tutkijat voivat paremmin suodattaa kohinaa, ja tehdä näin herkempiä kokeita. Tutkijoiden tavoitteena on kehittää haloskooppi, teknologia, jonka avulla pystytään osoittamaan pimeän aineen halosignaali.

Havainto näkymättömästä

Syvällä maan alla, Espanjan ja Ranskan rajan ylittävillä vuorilla sijaitsee Canfrancin maanalainen laboratorio, johon DarkQuantumin tutkijat aikovat rakentaa korkeataajuisen haloskoopin. Hankkeen toinen, matalataajuinen haloskooppi sijoitetaan Saksan Hampuriin, DESY-tutkimuskeskukseen.

Korkeataajuisen haloskoopin maanalainen sijainti mahdollistaa kosmisen taustasäteilyn eliminoimisen, ja siellä voi myös tutkia samanaikaisesti kohinanvaimennustekniikoita kvanttilaskentaa varten.

”Maan alla ei ole koskaan aikaisemmin tehty tämäntyyppistä kokeellista tutkimusta”, sanoo Irastorza.

Aallon tutkija Paraoanu ja hänen ryhmänsä vastaavat hankkeessa korkeataajuusanturin sekä sen käyttöön tarvittavien algoritmien ja ohjelmistojen kehittämisestä.

"Haloskooppimme on 10–100 kertaa herkempi kuin vastaavat ilmaisimet. Siinä käytetään suprajohtavia kubitteja – samoja kuin kvanttitietokoneissa – mutta ne toimivat tässä haloskoopissa ilmaisimina", Paraoanu sanoo.

Haloskooppi mahdollistaa satoja tai jopa tuhansia kertoja toistettavat kokeet samoilla hiukkasilla. Itse aksionia ei ole tarkoitus havainnoida, vaan jättää sen tila muuttumattomaksi.

"Teorian mukaan voimme luoda erittäin kylmässä ympäristössä magneettikentän, joka saa aksionin lopulta hajoamaan fotoniksi. Jos havaitsemme fotonin, voimme päätellä, että aksioni on olemassa", Paraoanu sanoo.

”Jos pimeä aine todellakin koostuisi aksioneista, meillä on hyvät mahdollisuudet onnistua havaitsemaan myös pimeä aine itsessään”, Irastorza kertoo.

Tutkimukseen käytetään OtaNano-infrastruktuuria. Sorin Paraoanu on myös mukana InstituteQ:ssa eli kansallisessa kvantti-instituutissa, sekä uudessa alkavassa kvanttilippulaivassa Finnish Quantum Flagship, FQF.

Euroopan tutkimusneuvoston myöntämä ERC Synergy Grant on erittäin arvostettu ja kilpailtu. Aallossa rahoitus on aikaisemmin myönnetty vain Aalto-professori Risto Ilmoniemen johtamalle ConnectToBrain-hankkeelle. Uuden DarkQuantum-hankkeen seurauksen voi syntyä myös nykyistä kehittyneemmät versiot squid-antureista, joita hyödynnetään MEG-teknologiassa.