حذف نویز لیزر برای شکار ماده تاریک و امواج گرانشی

تصور کنید بخواهید در دل یک توفان رعدآسا صدای نجوا را بشنوید. این همان ابعاد مسئله‌ای است که فیزیک‌دانان هنگام جست‌وجوی سیگنال‌های بسیار ضعیف کیهانی با آن روبه‌رو هستند، از ردپاهای ماده تاریک گرفته تا موجک‌هایی از کیهان نوزاد، که زیر نویز سنگین و فراگیر ابزارهای اندازه‌گیری پنهان شده‌اند.

پژوهشگران امپریال کالج لندن، در چارچوب همکاری علمی آیون، یک نمایش رومیزی ساخته‌اند که این مسئله را از زاویه‌ای تازه حل می‌کند. آن‌ها با به‌کارگیری دو تداخل‌سنج اتمی به‌صورت یک سامانه جفت‌شده و خوانش هر دو با یک لیزر فوق‌پایدار، نشان دادند که نویز مشترک لیزر را می‌توان حذف کرد و در عین حال سیگنال ضعیف اما معنادار را دست‌نخورده نگه داشت.

گوی درخشان کوچکی که در مرکز این محفظه دیده می‌شود، ابری از اتم‌ها در دمایی نزدیک به صفر مطلق است که روی نور لیزر آبی شناور مانده است. این اتم‌ها پیش از آنکه به حسگرهای بسیار کوچک تبدیل شوند، باز هم سردتر خواهند شد؛ حسگرهایی که برای شنیدن امواج گرانشی و ردیابی ماده تاریک به کار می‌روند. 

حالا جمله‌ها کوتاه‌تر می‌شوند و پیامدها بزرگ‌تر. تداخل‌سنج‌های اتمی با استفاده از پالس‌های نور، ابرهایی از اتم‌های فوق‌سرد را جدا و دوباره ترکیب می‌کنند و تغییرات بسیار ناچیز در حرکت را به جابه‌جایی‌های فازی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌سازند. وقتی این ابزارها با فاصله زیاد از هم قرار می‌گیرند و با یک لیزر مشترک سنجیده می‌شوند، هر لرزش و ناپایداری لیزر، خطایی یکسان روی هر دو اندازه‌گیری به جا می‌گذارد. کافی است دو خروجی با هم مقایسه شوند. خطای مشترک کنار می‌رود. آنچه باقی می‌ماند، ممکن است خود فیزیک باشد.

تیم امپریال برای اثبات این اصل، آزمایش را عمدا از حالت ایده‌آل خارج کرد. آن‌ها نویز فازی بسیار بیشتری از آنچه یک لیزر ساعت واقعی معمولا تولید می‌کند به سامانه تزریق کردند؛ آن‌قدر زیاد که هر تداخل‌سنج به‌تنهایی شبیه نویز تصادفی دیده می‌شد. با این حال، وقتی دو خروجی با هم مقایسه شدند، الگوی تداخل دوباره پدیدار شد و اندازه‌گیری به حساسیت محدود به کوانتوم رسید؛ همان سطحی که طراحان هدف گرفته بودند.

شبیه‌سازی ادغام سیاه‌چاله‌ها در جهان قابل مشاهده، همراه با حساسیت‌های پیش‌بینی‌شده برای آشکارسازهای کنونی و پیشنهادی امواج گرانشی. رده تازه حسگرهای مبتنی بر اتم که در این پژوهش پیشگامانه معرفی شده‌اند، یعنی آیون و ایج، ممکن است به ما کمک کنند سیاه‌چاله‌های جرم‌میانی را ببینیم؛ اجرامی که در شکل‌گیری کهکشان ما نقشی محوری داشته‌اند.

ترفند تداخل‌سنج جفت‌شده، سیگنال‌هایی را بازیابی کرد که در غیر این صورت از دست می‌رفتند و حذف نویز لیزر را در شرایط واقع‌بینانه نشان داد.

برای آنکه این آزمایش با تأسیسات آینده مرتبط باشد، این گروه از ابرهای بسیار دور از همِ استرانسیم ۸۷ فوق‌سرد و یک لیزر ساعت فوق‌پایدار واحد استفاده کرد تا چالش‌های مورد انتظار در آشکارسازهای با خط مبنای بلند را بازسازی کند. آن‌ها حتی یک سیگنال نوسانی افزودند که شبیه چیزی بود که عبور یک موج گرانشی یا یک میدان ماده تاریک می‌تواند ایجاد کند. امضای سیگنال باقی ماند. هیچ‌کدام از تداخل‌سنج‌ها به‌تنهایی اطلاعات مفیدی در خود نداشتند، اما در کنار هم شکل‌موج پنهان‌شده را آشکار کردند.

یکی از سامانه‌های لیزری مورد استفاده در آزمایشگاه امپریال برای سرد کردن اتم‌ها و دست‌کاری حالت کوانتومی آن‌ها. 

اهمیت این دستاورد فراتر از یک موفقیت تمیز آزمایشگاهی است. دلیلش این است که رساندن تداخل‌سنج‌های اتمی به خط مبناهای کیلومتری، بخش مرکزی طرح‌هایی است که می‌خواهند پنجره‌های تازه‌ای به جهان باز کنند. حسگرهای اتمی با خط مبنای بلند می‌توانند امواج گرانشی را در بسامدهایی بررسی کنند که تداخل‌سنج‌های لیزری کنونی از دست می‌دهند. همچنین این فناوری راهی تازه برای جست‌وجوی نامزدهای عجیب ماده تاریک فراهم می‌کند؛ ذرات یا میدان‌هایی که با اتم‌ها به‌شیوه‌ای بسیار ظریف برهم‌کنش دارند.

پژوهشگران امپریال به زیست‌بوم گسترده‌تری از پروژه‌ها اشاره می‌کنند که می‌توانند از این پیشرفت بهره ببرند. تلاش آیون با پروژه مجیس در فرمی‌لب و طرح‌هایی مانند آیس در سرن هم‌مسیر است؛ جایی که تکنیک‌های مشابه می‌توانند در فاصله‌هایی بسیار بزرگ‌تر به کار گرفته شوند. ساخت چنین تأسیساتی به لیزرهای پرتوانی نیاز دارد که در عین شدت بالا، دقتی استثنایی داشته باشند، و همچنین به روش‌هایی برای مهار نویزی که با بزرگ‌تر شدن مقیاس ناگزیر افزایش می‌یابد.

برای ساخت یک حسگر کوانتومی، نور باید در حالتی با کنترل بسیار دقیق آماده شود؛ حالتی که در آن بسامد، قطبش و شدت نور همگی به‌خوبی مهار شده باشند. در اینجا، قطبش نور آبی پیش از استفاده برای سرد کردن اتم‌ها تا نزدیکی صفر مطلق تغییر داده می‌شود. 

در مسیر پیش رو، کوه‌هایی از چالش‌های فنی قرار دارد. تولید نوری شدید و فوق‌خالص و حفظ همدوسی اتمی در فاصله‌های بلند، مسائل مهندسی دشواری هستند. اما این اثبات اصل، یک مانع مفهومی بزرگ را برمی‌دارد: نگرانی از اینکه نویز فاز لیزر، هر سیگنال احتمالی کیهانی را در معماری دو تداخل‌سنجی غرق کند.

برای ساخت یک حسگر کوانتومی، نور باید در حالتی با کنترل بسیار دقیق آماده شود؛ حالتی که در آن بسامد، قطبش و شدت نور همگی به‌خوبی مهار شده باشند. در اینجا، بسامد لیزر قرمز پیش از استفاده برای سرد کردن اتم‌ها تا نزدیکی صفر مطلق تغییر داده می‌شود.

نگهبانان میز آزمایش خوش‌بین هستند. نمونه اولیه کوچک است، اما نشان می‌دهد که این اصل حتی زیر فشار هم کار می‌کند. همچنین مسیری منظم برای ترکیب حساسیت ساعت‌های اتمی با گستره فضایی تداخل‌سنج‌ها پیشنهاد می‌دهد؛ مسیری که می‌تواند آشکارسازهایی بسازد که در باندهای بسامدی فعلا دست‌نیافتنی به جهان گوش دهند.

بخشی از دشواری ساخت حسگرهای کوانتومی بزرگ‌مقیاس، تولید نور لیزری با توان بسیار بالا است که همچنان از نظر بسامد فوق‌العاده دقیق بماند. این تصویر یک بلور تیتانیوم سافایر را نشان می‌دهد که درون یک کاواک نوری تشدید می‌شود و نوری تولید می‌کند که در ادامه حالت کوانتومی اتم‌های ما را شکافته خواهد کرد. نور قرمز در این تصویر یکی از خالص‌ترین نورهای موجود است؛ چیزی جز قرمزی ناب تا پانزدهمین رقم اعشار نیست.

پس وقتی ابزارهایی از این رده به اندازه کافی بزرگ ساخته شوند، چه چیزی ممکن است بشنویم؟ شاید چهچهه آشکار ادغام سیاه‌چاله‌های جرم‌میانی، یا نوسان‌های ریتمیک میدان‌هایی که می‌توانند ماده تاریک باشند. یا شاید هم چیزی کاملا ناآشنا؛ پدیده‌هایی تازه که درک ما از ماده و گرانش را دگرگون می‌کنند.

این یک آرمان روشن و انسانی است: نویز را به سیگنال تبدیل کنیم و بگذاریم کیهان کمی بلندتر سخن بگوید.