İnqrid Fadelli , Phys.org tərəfindən

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

XENONnT detektoru. Kredit: XENON Əməkdaşlıq

Kvant mexanikası nəzəriyyələri bəzi hissəciklərin superpozisiyalarda mövcud ola biləcəyini proqnozlaşdırır ki, bu da onların eyni anda birdən çox vəziyyətdə ola bilməsi deməkdir. Lakin bir hissəciyin vəziyyəti ölçüldükdə, bu superpozisiya tək bir nəticəyə “çökür” kimi görünür; bu fenomen tez-tez “ölçmə problemi” adlanır.

Son illərdə müxtəlif nəzəri fiziklər bu çöküşün niyə və necə baş verdiyini izah etməyə çalışıblar. Bu, Davamlı Spontan Lokalizasiya (CSL) və Diósi-Penrose modelləri kimi müxtəlif modellərin ortaya çıxmasına səbəb olub.

Hər iki model spontan kvant çökməsinin zəif rentgen şüalanmasının yayılmasına da səbəb olacağını proqnozlaşdırır. Beləliklə, bu şüalanmanın eksperimental aşkarlanması bu nəzəriyyələrin etibarlılığının sübutu olacaq.

Bu nəzəriyyələri sınaqdan keçirmək üçün ümidverici təcrübələrdən biri İtaliyadakı INFN Gran Sasso Milli Laboratoriyasında (LNGS) yerləşən yüksək həssaslıqlı yeraltı qaranlıq maddə detektoru olan XENONnT-dir.

Bu yaxınlarda Physical Review Letters jurnalında dərc olunmuş məqalədə nəzəri fiziklər XENONnT təcrübəsindən olan eksperimentalistlərlə əməkdaşlıq edərək detektor tərəfindən toplanan məlumatları təhlil ediblər. Onlar detektorun CLS və Diosi-Penrose kvant çöküşü modellərinə meydan oxuduğunu aşkar ediblər.Kvant çökmə prosesinin sxematik təsviri. Müəllif: XENON Əməkdaşlığı.

“XENONnT dünyanın ən həssas qaranlıq maddə axtarış təcrübələrindən biridir və çox aşağı enerjilərdə yeni fizika axtarışını aparır”, – deyə hazırda LUX-ZEPLIN üzərində işləyən London İmperial Kollecinin dosenti Kristian Vittveq Phys.org-a bildirib.

“Sürix Universitetində rəhbərlik etdiyim magistr layihəsi zamanı keçmiş müdirim professor Laura Baudis XENONnT-nin əslində bu ideyaları eksperimental olaraq sınaqdan keçirmək üçün istifadə edilə biləcəyini təklif etdi. Lakin bu yaxınlara qədər mövcud spontan kvant çöküşü nəzəriyyələri bu enerji diapazonunda dəqiq proqnozlar vermirdi.”

Vittveq, professor Baudis və həmkarları mövcud nəzəri modellərin XENONnT detektoru ilə aparıla bilən mümkün testləri məhdudlaşdırdığını anladılar. Beləliklə, onlar əməkdaşları Katalina Kurçanu və Kristian Piskikçiya ilə əlaqə saxladılar.

“Eyni zamanda, mənim tədqiqat qrupum, Romadakı Enriko Fermi Tədqiqat Mərkəzindəki PAMQ (Kvant Mexanikasında Açıq Məsələlər) qrupu, Kurçanunun rəhbərlik etdiyi İtaliya Milli Nüvə Fizikası İnstitutundakı VIP (Pauli istisna prinsipinin pozulması) təcrübəsi ilə əməkdaşlıqda yeni bir nəzəri tədqiqatı başa çatdırdı”, – Enriko Fermi Tədqiqat Mərkəzinin (CREF) tədqiqatçısı, CREF-in “Kvant Mexanikasında Açıq Məsələlər” layihəsinin qrup rəhbəri və VIP təcrübəsinin məsulu İtaliya milli INFN-i Piskikçia bildirib.

“Bu iş spontan çökmə modellərinin aşağı enerjilərdə necə görünə biləcəyinə dair proqnozları genişləndirdi.”

Rentgen enerji partlayışları üçün nəzəriyyəyə əsaslanan axtarış

Piskiççia, Kurçanu və onların əməkdaşları tərəfindən təqdim edilən yeni model əvvəlcə əvvəlki tədqiqatların əsas diqqət mərkəzində olan germanium atomları kontekstində hazırlanmışdır. Model göstərdi ki, gözlənilən siqnallar detektorlarda istifadə olunan atomların növündən çox asılıdır.

Piskikçia bildirib ki, “Simone Manti ksenon atomları üçün spesifik hesablamalar aparıb. Model həmçinin müxtəlif çökmə mexanizmlərinin fərqli əlamətlərini, xüsusən də XENONnT-nin ən həssas olduğu aşağı enerjili bölgədə proqnozlaşdırıb. Bu məlumatlar modeli XENONnT tərəfindən istifadə edilən hədəf olan ksenon atomlarına tətbiq etmək üçün qapı açıb.”

Piskiçiya, Kurçanu, Mantinin nəzəri səyləri və onların əməkdaşlığı nəticədə Vittveq və həmkarlarının marağını cəlb etdi. Bu, iki qrup arasında XENONnT detektorunun aşağı enerjilərdəki diqqətəlayiq həssaslığından istifadə edərək spontan kvant çökməsinin mümkün siqnallarını axtarmağa yönəlmiş əməkdaşlığa səbəb oldu.

Vittveq izah etdi ki, “O vaxta qədər UZH-də doktorantura tələbəsi olan Aleksandr Bismark dissertasiyası üçün işi götürmüş və Kristianla birlikdə layihəni tamamlamışdı”.

XENONnT detektoru nadir bir nəcib qaz olan maye ksenonla doldurulmuş böyük bir çənə əsaslanır. Detektor iki fazalı zaman proyeksiya kamerasıdır, yəni neytrinlər, qaranlıq maddə namizədləri və ya rentgen şüaları kimi hissəciklər onun içərisində qarşılıqlı təsir göstərdikdə həm işığı, həm də elektrik siqnallarını ölçdüyü anlamına gəlir.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Vittveq izah etdi ki, “XENONnT, hər iki ucunda fotovurucu boruları və elektrik sahələrini tətbiq etmək üçün silindr üzlərinə paralel elektrodları olan bir silindrdir”.

“Silindr maye ksenonla doldurulub və yuxarı hissəsində nazik qaz təbəqəsi var. Detektorda spontan kvant çöküşündən yaranan rentgen şüası onun emissiya yerindən bir neçə millimetr məsafədə udulacaq. Enerji çökməsi ksenon atomlarının həyəcanlanmasına və ionlaşmasına səbəb olur.”

Detektorun içərisində ksenon atomlarının həyəcanlanması işıq yaradır və bu, S1 (siqnal 1) adlanan ilkin siqnaldır. Daha sonra elektronlar elektrik sahəsi tərəfindən detektorun yuxarısındakı maye-qaz sərhədinə doğru sürüşməyə sövq edilir.

Vittveq dedi: “Bu, detektorda rentgen qarşılıqlı təsirinin nə qədər dərinliyindən asılı olaraq bir az vaxt aparır. Elektronlar yuxarı qalxdıqdan sonra daha güclü bir elektrik sahəsi ilə qaza sürətlənir və burada qazdakı elektrolüminesansdan ikinci dərəcəli siqnal – 2 və ya S2 siqnalı yaradırlar. Bu siqnalları birləşdirərək rentgen şüasının enerjisini bərpa edə bilərik və həmçinin rentgen şüasının harada yayıldığını müəyyən edə bilərik.”

Potensial olaraq mənalı rentgen siqnallarını fon səs-küyündən ayırmaq üçün komanda əvvəlcə fon hadisələrinin sayını və onların enerji paylanmasını bilməlidir. Bu məlumatı əldə etmək üçün onlar detektordakı bütün fon mənbələrinin simulyasiyalarını apardılar və nəticələri topladıqları real ölçmələrlə müqayisə etdilər.

Vittveq dedi: “Əslində, biz statistik metodlardan və detektorun radioaktivliyi haqqında dəqiq biliklərimizdən istifadə edərək onları məlumatlara “uyğunlaşdırırıq”. Axı, detektora daxil olan hər bir materialı onun radioaktivliyinə görə yoxlayırıq ki, nə gözləməli olduğumuzu bilək. İkinci tərkib hissəsi siqnal modelləridir.

“Əslində, bunlar yenə də araşdırdığımız DP və CSL modellərində kvant çöküşündən gözlədiyimiz rentgen şüalarının enerji paylanmalarıdır.”

Piskikiya, Kurçanu və Manti nəticədə Vittveqə və həmkarlarına rentgen enerjisinin paylanmasının model parametrlərinə görə forma və miqyas dəyişməsi barədə daha aydın bir təsəvvür əldə etməyə kömək etdilər. Əvvəlki nəzəri təhlillər paylanmanın rentgen enerjisinin tərsinə mütənasib olaraq azaldığını göstərirdi.

Vittveq izah etdi ki, “XENONnT-də olduğu kimi, xüsusiyyətsiz bir fonda xüsusiyyətsiz bir siqnal tapmaq çətindir. Xoşbəxtlikdən, nəzəriyyəçilərin yeni modelləri atom effektlərinin aşağı enerjilərdə modeldə “qabarcıqların” olmasına səbəb olduğunu göstərdi. Bu kimi xüsusiyyətlərə sahib olmaq statistik təhlilinizi daha güclü edir. İndi sadəcə yoxlamalı idik: Arxa planımızın üstündə nəzəriyyə proqnozuna bənzəyən qabarcıqlar varmı, yoxsa yox?”

Tədqiqatlarının bir hissəsi olaraq, tədqiqatçılar 2021-ci ilin 6 iyulundan 10 noyabrına qədər davam edən ilk XENONnT elmi kampaniyası zamanı toplanmış məlumatları təhlil etdilər. Detektorun qurulmasında istifadə olunan materiallarda iz radioaktivliyindən qaynaqlanan fon siqnallarını minimuma endirmək üçün detektorun içərisindəki bütün 5,9 tonluq cihazla ölçülən ksenonun yalnız 4,37 tonluq alt həcmindən istifadə etdilər.

Vittveq dedi: “Əsasən, biz divarlardan uzaqlaşdıq və analiz həcmimizin ətrafındakı ksenonu radiasiya qalxanı kimi istifadə etdik ki, bu da bizə daha aşağı fon təmin etdi. Son dərəcə aşağı fonun aşağı enerji həddi və uzun müddət ölçən böyük detektorun olması bizə bu siqnala qarşı həssaslığımızı verir.”

Komandanın diqqətəlayiq nəticələri

Komandanın təhlilləri proqnozlaşdırılan rentgen partlayışlarına dair heç bir açıq dəlil aşkar etmədi. Buna baxmayaraq, onlar kvant çökmə modellərinin mərkəzi parametrləri üzrə bu günə qədər ən güclü limitləri müəyyən etdilər.

“Təhlil nəticələri əla idi”, – deyə Piskiççia bildirib. “Spontan çökmə siqnalı müşahidə olunmasa da, bu, əsas çökmə modellərindən ikisinə sərt məhdudiyyətlər qoyan ən güclü dəlildir: cazibə qüvvəsinin çökmənin yaranmasında mərkəzi rol oynadığı Diosi-Penrose modeli və CSL modeli. CSL üçün biz əvvəllər aparılan təcrübələrdən yüz dəfədən çox daha həssasıq.”

VIP, PAMQ və XENONnT təcrübələrində iştirak edən komandaların bu birgə səyi son illərdə təqdim edilən kvant çöküşü nəzəriyyələrinin bəzilərini süzgəcdən keçirməyə kömək edə bilər. Onların yanaşması kvant fizikasında cazibə qüvvəsinin rolunu araşdırmaq üçün istifadə edilə bilər və potensial olaraq bu iki fundamental fizika çərçivəsi arasında uzlaşmanı asanlaşdıra bilər.

Vittveq bildirib ki, “Siqnalı ölçməmək ilk baxışdan məyusedici səslənsə də, bu, sadəcə eksperimental fizikanın təbiətidir. Biz nəzəriyyələri sınaqdan keçiririk və müsbət siqnalın olmaması onları istisna etməyə və ya icazə verilən parametrlərini məhdudlaşdırmağa imkan verir. Biz spontan çökmə modellərini tamamilə istisna etməmişik, lakin təbiətdə mümkün reallaşmalar üçün getdikcə daha az yer var.”

Vittveq, Piskiççia və həmkarlarının bu yaxınlarda yazdıqları bu iş, nəzəri fizika tədqiqatlarının və genişmiqyaslı təcrübələrin bir-birini nə dərəcədə məlumatlandıra biləcəyini də nümayiş etdirir. Son əməkdaşlıq nəticədə daha çox nəzəriyyədən ilhamlanan təcrübələrə və nəzəri proqnozları sınaqdan keçirməyə yönəlmiş səylərə yol aça bilər.

Piskiçiya bildirib ki, “Nəzəriyyə ilə birlikdə inkişaf edə bilən detektor sistemləri ilə birgə səy (VIP-PAMQ-XENON səyi kimi) nəzəriyyə və təcrübəni birləşdirən, hədəf materiallarını və oxuma sistemlərini sınaqdan keçirmək istədiyimiz fizikadan asılı olaraq uyğunlaşdıra bilən çevik platformalar yaradacaq”.

“Bu cür yanaşma fizikada ən böyük açıq problemlərdən birini – vahid kvant cazibə nəzəriyyəsini sınaqdan keçirmək üçün perspektivli bir yolu təmsil edir.”

XENONnT kimi ksenon əsaslı qaranlıq maddə detektorları iyirmi ildən çoxdur ki, işləyir. Əvvəlcə bu detektorlarda cəmi bir neçə kiloqram ksenon var idi, lakin indi onlar bir neçə ton ehtiva edir. Detektorlar böyüdükcə fon siqnalları da eksponensial olaraq azaldı.

Vittveq dedi: “Bəzi insanlar bunu Murun ksenon detektorları qanunu adlandırırlar . Bu, qaranlıq maddə axtarışları üçün əladır, lakin daha da irəli gedir. Biz getdikcə daha çox araşdıra biləcəyimiz şeylər tapırıq – məsələn, ilk cəhddə dünya lideri olduğumuz spontan kvant çöküşü. Aşağı fon, aşağı enerji həddi və böyük ekspozisiya sizə çox yönlülük verir.

“Ksenon qaranlıq maddə detektorları artıq sadəcə qaranlıq maddə detektorları deyil. Onlar astro-hissəciklər fizikası üçün rəsədxanalara çevrilir. Mən doktorantura təhsilimi Sürixdə tamamlamışam, ona görə də onları İsveçrə Ordusunun bıçaqları kimi düşünməyi xoşlayıram.”

Gələcək tədqiqatlar üçün yollar

Kvant çöküşü modellərinə əlavə məhdudiyyətlər qoymaq və ya proqnozlaşdırılan rentgen siqnallarını götürmək üçün tədqiqatçılar daha az fon siqnalı ehtiva edən daha çox məlumat toplamalı olacaqlar. Bu, daha uzun müddət ölçmələrin toplanmasını və fon siqnallarını azaltmaq üçün üsulların hazırlanmasını tələb edəcək.

“Bu kontekstdə fon əsasən radioaktiv nəcib qaz radonun parçalanma məhsulu olan qurğuşunun (Pb-214) radioaktiv parçalanması və ksenonun atom elektronlarından səpələnən günəş neytrinolarıdır. Yerdəki günəş neytrino axını kvadrat santimetrə, yəni barmağınızın sahəsinə saniyədə 70 milyard neytrino təşkil edir. Hətta kiçik qarşılıqlı təsir ehtimallarına baxmayaraq, neytrinolar XENONnT-nin fon büdcəsinin əhəmiyyətli bir hissəsinə çevrilən siqnallar yaradır.”

Tədqiqatçılar neytrinləri qoruya bilmədikləri və ya günəşi “söndürə” bilmədikləri üçün neytrinolar nəticədə fon səs-küyünün azaldılmaz mənbəyinə çevrilirlər. Gələcək tədqiqatlarının bir hissəsi olaraq, onlar digər fonları bu azaldılmaz komponentdən aşağı düşəcək səviyyəyə endirməyə ümid edirlər.

Vittveq bildirib ki, “XENONnT-nin ilk elmi sınağından sonra ksenon hədəfinin içərisində radon parçalanma sürətini yarıya endirə bildik, buna görə də əlaqəli fon indi günəş neytrinləri ilə eyni səviyyədədir. Bundan əlavə, hazırda əlimizdə kvant çöküşü təhlili üçün istifadə etdiyimizdən təxminən altı dəfə çox məlumat var. Əminəm ki, bu, bizə gözəl bir izləmə imkanı verəcək.”

Təcrübəçilər həmçinin misli görünməmiş həssaslıqlar nümayiş etdirən yeni bir qaranlıq maddə detektoru yaratmaq üzərində işləyirlər. Artıq yaradılmaqda olan bu detektor, XENONnT və LUX-ZEPLIN (LZ) detektorlarının kütləsindən beş-on dəfə çox kütləyə malik olacaq. O, XLZD adlandırılacaq.

Vittveq bildirib ki, “XLZD üçün XENON, LZ və DARWIN əməkdaşlığı WIMP qaranlıq maddə detektorunun ən son versiyasını yaratmaq üçün birləşib. Plan qaranlıq maddəni neytrino dumanına qədər araşdırmaqdır – günəşdən, keçmiş supernovalardan və atmosferdən gələn neytrinoların WIMP siqnallarını mükəmməl şəkildə təqlid etməyə başladığı bir bölgə. “

“Duman təbəqəsinə çatmazdan əvvəl hələ uzun bir yol var, ona görə də yolda bir kəşf üçün yaxşı bir şans var. Lakin XLZD-də qaranlıq maddədən daha çox şey var. O, spontan çökməni axtaracaq, günəş neytrino axınlarını ölçəcək və neytrinosuz ikiqat beta çürüməsinin axtarışında yarışacaq. Növbəti onillikdə kəşf ediləcək çox şey olacaq.”

Yeni WIMP detektoru, həmçinin digər qaranlıq maddə namizədləri ilə əlaqəli siqnalları, enerji bölgələrində və mövcud detektorların çata bilmədiyi həssaslıqlarda axtarmaq üçün də istifadə edilə bilər. Bu arada, Piscicchia, Curceanu və onların əməkdaşları eksperimental olaraq əldə edilə bilən yeni fizikanın mümkün imzalarını axtarmağa davam etməyi planlaşdırırlar.

Piskiçiya bildirib ki, “Bu səylərin bir aspekti fenomenoloji perspektivdə, yəni yeni fizika nəzəriyyələrinin ölçülə bilən təsirlərini müəyyən etmək və modelləşdirmək cəhdindədir. Məqsəd yeni fizikanın siqnallarını aşkar etmək və ya bu cür nəzəriyyələrin inkişafını məhdudlaşdırmaqdır”.

Təcrübələr getdikcə daha həssaslaşdıqca və nəzəri modellərə getdikcə daha sərt məhdudiyyətlər qoyduqca (bu müsahibədə təqdim olunan ölçmələr buna bariz nümunədir), bu modellər daha yetkin və ümumi formullara doğru inkişaf edir.

Piscicchia hələ də müxtəlif qabaqcıl nəzəriyyələrin fenomenoloji nəticələrini araşdırmaq üçün digər aparıcı nəzəri fiziklərlə sıx əməkdaşlıq edir və VIP çərçivəsində proqnozlaşdırılan imzaların müşahidəsinə imkan verə biləcək yeni təcrübələr hazırlanır. Məsələn, onlar hazırda çökən sahə ilə fərqli, optimallaşdırılmış atom hədəfləri arasındakı qarşılıqlı təsirlə əlaqəli xarakterik elektromaqnit imzanı müəyyən etməyə kömək edə biləcək yeni bir detektor hazırlayırlar.

Piskikiya bildirib ki, “Bu maraqlı mövzunun tədqiqi uzun müddətdir mövcud olan ölçmə probleminin, yəni kvant mexanikasının təməllərinin mərkəzində duran dalğa funksiyasının çökməsi probleminin həllindən kənara çıxır”.

“Mən qəti şəkildə əminəm və bir neçə tədqiqat bu istiqaməti dəstəkləyir ki, spontan çökmə elmdəki ən dərin açıq problemlərdən birinin – cazibə qüvvəsinin kvant mexanikası ilə uzlaşdırılmasının həlli ilə sıx əlaqəli ola bilər.”

Bir əsrdən çox vaxt keçdikdən sonra, ilk dəfə XVII əsrdə Nyuton tərəfindən təsvir edilən qravitasiya qarşılıqlı təsiri hələ kvant mexanikasının qanunlarına uyğun nəzəri çərçivədə tam təsvir edilməmişdir. Belə bir yeni nəzəri çərçivənin təcrübi nəticələrini hazırlamaq Piskikiya, Kurçanu və onların əməkdaşlarının gələcək işlərinin vacib məqsədi olacaqdır.

Piskikçia əlavə edib ki, “Məsələn, diqqətəlayiq nəzəri yanaşmalar cazibə sahəsini kvantlaşdırmağa (Sim Nəzəriyyəsi və ya Döngə Kvant Cazibəsində olduğu kimi) və ya alternativ olaraq, Ser Rocer Penrouzun ifadəsi ilə desək, kvant mexanikasını ‘cazibədarlaşdırmağa’ cəhd göstərir”.

“Bu yanaşmalar tez-tez ortaq bir xüsusiyyətə malikdir: məkan-zaman strukturunun fundamental ‘qeyri-səlisliyi’, yəni məkan-zaman intervallarının ölçülə bilməsində daxili məhdudiyyət, Demokritə aid erkən diskretlik ideyalarını xatırladır. Mövcud eksperimental əhatə dairəsindən çox kənarda enerji və ya uzunluq miqyasında özünü göstərən bu daxili məkan-zaman qeyri-müəyyənliyi, potensial olaraq xarakterik elektromaqnit şüalanma imzaları ilə müşahidə edilə bilən spontan çökmə proseslərinə səbəb ola bilər.”

Nəzəriyyəçilər hazırda bu hipotezi eksperimental olaraq sınaqdan keçirməyə imkan verəcək yeni bir fenomenoloji çərçivə üzərində işləyirlər.