Uutiset

Fyysikot pyydystävät pimeän aineen näkymätöntä hiukkasta superherkällä kvantti-ilmaisimella

Aalto-yliopiston tutkijat kehittävät haloskooppia, erittäin herkkää kvantti-ilmaisinta, osoittaakseen pimeän aineen näkymättömän halosignaalin. Euroopan tutkimusneuvosto on myöntänyt DarkQuantum-hankkeelle miljoonien eurojen arvoisen Synergy Grant -rahoituksen, joka on kaikkiaan Aallolle toinen ja koko Suomeen kolmas.
An illuminated gold-plated cryostat built by Bluefors sits on a black background.
DarkQuantum-hankkeessa hyödynnetään uusinta kvanttiteknologiaa erittäin herkkien ilmaisimien rakentamiseksi. Kuva: Mikko Raskinen, Aalto-yliopisto.

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.

Aalto University Senior Lecturer Sorin Paraoanu stands at the Low Temperature Lab in the Nanotalo building.
Aalto-yliopiston osuutta tutkimuksessa johtaa yliopistonlehtori Sorin Paraoanu tutkimusryhmineen. Kuva: Mikko Raskinen, Aalto-yliopisto.

"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.

Jos pimeä aine todellakin koostuisi aksioneista, meillä on hyvät mahdollisuudet onnistua havaitsemaan myös pimeä aine itsessään

Igor Garzia 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.

Ota yhteyttä:

Lue lisää:

Artistic impression of the sample, the pulse sequence, and the density matrix. Image by Antti Paraoanu.

Superconducting Qubits and Circuit QED (KVANTTI)

Our group is part of the effort in nanoelectronics in the Low Temperature Laboratory, Department of Applied Physics. The group is doing research in such fields as quantum information and quantum-level effects in superconducting devices, quantum coherent matter, and interaction of electromagnetic fields with nano-structured materials.

Department of Applied Physics
White InstituteQ logo on dark background

InstituteQ - The Finnish Quantum Institute (ulkoinen linkki)

InstituteQ koordinoi kvanttitutkimusta, -koulutusta sekä -liiketoimintaa Suomessa

A map of Finland sits on top of an artistic illustration of small-scale circuits.

Aalto-yliopisto koordinoimaan uutta Suomen kvanttilippulaivaa

“Lippulaiva mahdollistaa laajan kansallisen yhteistyön, jolla turvataan suomalaisen yhteiskunnan valmius kvanttiteknologiamurroksessa”, johtaja Peter Liljeroth kertoo.

Uutiset
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

The magnetic properties of a material can affect how it interacts with light.
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Tutkijoille läpimurto: Yksisuuntaisen lasin kehitys vihdoin mahdollista

Tutkijat kehittivät uuden metamateriaalin, joka voi toimia monenlaisten teknologisten innovaatioiden pohjana.
Mikko Alava ja kolme muuta tutkimusryhmän jäsentä kuvattuna teknisen laitteen äärellä.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Suomen Kulttuurirahastolta suuria apurahoja tieteelle

Apurahan tieteeseen tai taiteeseen sai 30 henkilöä tai ryhmää Aalto-yliopistosta.
Kuvitus puun istuttamisesta haudalle ja puun kasvusta
Palkinnot ja tunnustukset Julkaistu:

Lappset-stipendin sai maisema-arkkitehti Anu Hakola

Hakola käsittelee diplomityössään muistopuita ja niiden merkitystä osana vainajien muistelua.
Photo
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Katsaus Aallon avoimiin julkaisuihin 2023

90 % Aallon vuoden 2023 tieteellisistä lehtiartikkeleista on avoimesti saatavilla.