Descubrir cómo extender la búsqueda de partículas de materia oscura (la materia oscura describe la materia que constituye aproximadamente el 85 por ciento de la masa total del universo, pero hasta ahora solo se ha medido por sus efectos gravitacionales) es un poco como construir un mejor ratonera ... es decir, una ratonera para un ratón que nunca has visto, nunca veré directamente, puede estar acompañado por una extraña variedad de otros ratones, o puede que no sea un ratón después de todo.

Ahora, a través de un nuevo programa de investigación respaldado por la Oficina de Física de Altas Energías (HEP) del Departamento de Energía de EE. UU., un consorcio de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab), UC Berkeley, y la Universidad de Massachusetts Amherst desarrollará sensores que incorporen las aparentemente extrañas propiedades de la física cuántica para sondear partículas de materia oscura de nuevas formas. con mayor sensibilidad, y en regiones inexploradas. Maurice García-Sciveres, un físico de Berkeley Lab, lidera este Consorcio de Sensores Cuánticos HEP-Ciencia de la Información Cuántica (QIS).

Las tecnologías cuánticas están surgiendo como alternativas prometedoras a las "trampas para ratones" más convencionales que los investigadores han utilizado anteriormente para rastrear partículas esquivas. Y el DOE, a través de la misma oficina de HEP, también apoya una colección de otros esfuerzos de investigación dirigidos por científicos de Berkeley Lab que aprovechan la teoría cuántica, propiedades, y tecnologías en el campo QIS.

Estos esfuerzos incluyen:

• Desentrañar la estructura cuántica de la cromodinámica cuántica en los generadores Monte Carlo de Parton Shower:este esfuerzo desarrollará programas de computadora que prueben las interacciones entre partículas fundamentales con extremo detalle. Las simulaciones por computadora actuales están limitadas por algoritmos clásicos, aunque los algoritmos cuánticos podrían modelar con mayor precisión estas interacciones y podrían proporcionar una mejor manera de comparar y comprender los eventos de partículas medidos en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el colisionador de partículas más poderoso del mundo. Christian Bauer de Berkeley Lab, un científico investigador senior, liderará este esfuerzo.
• Reconocimiento de patrones cuánticos (QPR) para física de alta energía:los aceleradores de partículas cada vez más potentes requieren algoritmos informáticos mucho más rápidos para monitorear y clasificar miles de millones de eventos de partículas por segundo, y este esfuerzo desarrollará y estudiará el potencial de los algoritmos cuánticos para el reconocimiento de patrones para reconstruir partículas cargadas. Dichos algoritmos tienen el potencial de mejorar significativamente la velocidad y aumentar la precisión. Dirigido por la física de Berkeley Lab y becaria de división Heather Grey, este esfuerzo involucrará la experiencia en física de alta energía y computación de alto rendimiento en la División de Física de Berkeley Lab y en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía del Laboratorio, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y también en UC Berkeley.
• Patrón-CCD, un nuevo sensor de fotón único para imágenes cuánticas:durante los últimos seis años, Berkeley Lab y Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) han estado colaborando en el desarrollo de un detector para experimentos astrofísicos que puede detectar la unidad individual más pequeña de luz, conocido como fotón. Este detector Skipper-CCD se demostró con éxito en el verano de 2017 con un ruido increíblemente bajo que permitió la detección de incluso electrones individuales. Como siguiente paso, este esfuerzo liderado por Fermilab buscará imágenes de pares de fotones que existen en un estado de entrelazamiento cuántico, lo que significa que sus propiedades están intrínsecamente relacionadas, incluso a grandes distancias, de modo que la medición de una de las partículas define necesariamente las propiedades de la otra. Steve Holland, un científico e ingeniero senior en Berkeley Lab que es pionero en el desarrollo de detectores de silicio de alto rendimiento para una variedad de usos, lidera la participación de Berkeley Lab en este proyecto.
• Geometría y flujo de información cuántica:de la gravedad cuántica a la tecnología cuántica:este esfuerzo desarrollará algoritmos cuánticos y simulaciones de propiedades, incluida la corrección de errores y la codificación de información, que son relevantes para las teorías de los agujeros negros y para la computación cuántica que involucran matrices altamente conectadas de qubits superconductores, las unidades básicas de una computadora cuántica. Los investigadores también los compararán con métodos más clásicos. UC Berkeley encabeza este programa de investigación, e Irfan Siddiqi, un científico en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y director fundador del Centro de Ciencia Coherente Cuántica en UC Berkeley, está liderando la participación de Berkeley Lab.
• Siddiqi también dirige un programa de investigación independiente, Control cuántico basado en matriz de puerta programable en campo para simulaciones de física de alta energía con Qutrits, que desarrollará herramientas especializadas y familias lógicas para la computación cuántica centrada en la física de alta energía. Este esfuerzo involucra a la División de Física Aplicada y Tecnología Aceleradora de Berkeley Lab.

Estos proyectos también forman parte de Berkeley Quantum, una asociación que aprovecha la experiencia y las instalaciones de Berkeley Lab y UC Berkeley para promover las capacidades cuánticas de EE. UU. mediante la realización de investigación básica, fabricar y probar dispositivos y tecnologías cuánticos, y educar a la próxima generación de investigadores.

También, en varias de sus oficinas, el DOE ha anunciado su apoyo a una ola de otros esfuerzos de I + D que fomentarán la innovación colaborativa en la ciencia de la información cuántica en Berkeley Lab, en otros laboratorios nacionales, y en instituciones asociadas.

En Berkeley Lab, La mayor empresa relacionada con QIS financiada por HEP incluirá un equipo multidisciplinario en el desarrollo y demostración de sensores cuánticos para buscar partículas de materia oscura de muy baja masa, la llamada "materia oscura clara", mediante la instrumentación de dos detectores diferentes.

Uno de estos detectores utilizará helio líquido a una temperatura muy baja donde fenómenos familiares como el calor y la conductividad térmica muestran un comportamiento cuántico. El otro detector utilizará cristales especialmente fabricados de arseniuro de galio (ver un artículo relacionado), también enfriado a temperaturas criogénicas. Las ideas sobre cómo estos experimentos pueden buscar materia oscura muy clara surgieron del trabajo teórico en Berkeley Lab.

"Hay mucho territorio inexplorado en materia oscura de baja masa, "dijo Natalie Roe, director de la División de Física en Berkeley Lab y el investigador principal de los esfuerzos cuánticos relacionados con HEP ​​del laboratorio. "Tenemos todas las piezas para unir esto:en teoría, experimentos y detectores ".

García-Sciveres, quién está liderando el esfuerzo de aplicar sensores cuánticos a la búsqueda de materia oscura de baja masa, señaló que otros esfuerzos importantes, como el experimento LUX-ZEPLIN (LZ) dirigido por Berkeley Lab que está tomando forma en Dakota del Sur, ayudarán a descubrir si las partículas de materia oscura conocidas como WIMP (partículas masivas de interacción débil) existen con masas comparables a el de los átomos. Pero LZ y experimentos similares no están diseñados para detectar partículas de materia oscura de masas mucho más bajas.

"Los experimentos tradicionales de materia oscura WIMP no han encontrado nada todavía, ", dijo." Y hay mucho trabajo teórico sobre modelos que favorecen partículas de una masa menor que la que pueden medir experimentos como LZ, ", añadió." Esto ha motivado a la gente a analizar realmente cómo se pueden detectar partículas de muy baja masa. No es así de fácil. Es una señal muy pequeña que debe detectarse sin ningún ruido de fondo ".

Los investigadores esperan desarrollar sensores cuánticos que sean mejores para filtrar el ruido de señales no deseadas. Si bien un experimento WIMP tradicional está diseñado para detectar el retroceso de un núcleo atómico completo después de que una partícula de materia oscura lo "patea", Las partículas de materia oscura de muy baja masa rebotarán directamente en los núcleos sin afectarlos, como una pulga rebotando en un elefante.

El objetivo del nuevo esfuerzo es detectar las partículas de baja masa a través de su transferencia de energía en forma de vibraciones cuánticas muy débiles. que tienen nombres como "fonones" o "rotones", " por ejemplo, García-Sciveres dijo.

"Nunca se podría decir que una pulga invisible golpea a un elefante mirando al elefante. Pero, ¿y si cada vez que una pulga invisible golpea a un elefante en un extremo de la manada, ¿Una pulga visible es arrojada lejos de un elefante en el otro extremo de la manada? ", dijo.

"Podrías usar estos sensores para observar señales tan leves en un cristal muy frío o helio superfluido, donde una partícula de materia oscura entrante es como la pulga invisible, y la pulga visible saliente es una vibración cuántica que debe detectarse ".

La comunidad de física de partículas ha realizado algunos talleres para intercambiar ideas sobre las posibilidades de detección de materia oscura de baja masa. "Este es un nuevo régimen. Esta es un área donde ni siquiera hay mediciones todavía. Existe la promesa de que las técnicas QIS pueden ayudarnos a darnos más sensibilidad a las pequeñas señales que estamos buscando, "Añadió García-Sciveres." Veamos si eso es cierto ".

Cada uno de los detectores de demostración tendrá aproximadamente 1 centímetro cúbico de material detector. Dan McKinsey, un científico senior de la facultad de Berkeley Lab y profesor de física de UC Berkeley que es responsable del desarrollo del detector de helio líquido, dijo que los detectores se construirán en el campus de UC Berkeley. Ambos están diseñados para ser sensibles a partículas con una masa más ligera que los protones, las partículas cargadas positivamente que residen en los núcleos atómicos.

El detector de helio superfluido utilizará un proceso llamado "evaporación cuántica, "en el que los rotones y fonones hacen que los átomos de helio individuales se evaporen de la superficie del helio superfluido.

Kathryn Zurek, un físico de Berkeley Lab y teórico pionero en la búsqueda de partículas de materia oscura de muy baja masa que está trabajando en el proyecto del sensor cuántico, dijo que la tecnología para detectar tales "susurros" de materia oscura no existía hace apenas una década, pero "ha logrado importantes avances en los últimos años". Ella también señaló, "Hubo bastante escepticismo sobre cuán realista sería buscar esta materia oscura de masa clara, pero la comunidad se ha movido más ampliamente en esa dirección ".

Hay muchas sinergias en la experiencia y las capacidades que se han desarrollado tanto en Berkeley Lab como en el campus de UC Berkeley que hacen que sea un buen momento, y el lugar adecuado, para desarrollar y aplicar tecnologías cuánticas a la búsqueda de materia oscura. Dijo Zurek.

Las teorías desarrolladas en Berkeley Lab sugieren que ciertos materiales exóticos exhiben estados cuánticos o "modos" con los que las partículas de materia oscura de baja masa pueden acoplarse, lo que haría que las partículas fueran detectables, como la "pulga visible" mencionada anteriormente.

"Estas ideas son la motivación para construir estos experimentos para buscar materia oscura clara, ", Dijo Zurek." Este es un enfoque amplio y de múltiples frentes, y la idea es que será un trampolín hacia un esfuerzo mayor ".

El nuevo proyecto se basará en una profunda experiencia en la construcción de otros tipos de detectores de partículas, e I + D en sensores ultrasensibles que operan en el umbral en el que un material conductor de electricidad se convierte en superconductor, el "punto de inflexión" que es sensible a las fluctuaciones más leves. Las versiones de estos sensores ya se utilizan para buscar ligeras variaciones de temperatura en la reliquia de luz de microondas que se extiende por el universo.

Al final de la demostración de tres años, los investigadores quizás podrían dirigir su mirada hacia tipos más exóticos de materiales detectores en volúmenes más grandes.

"Estoy emocionado de ver que este programa avanza, y creo que se convertirá en una importante dirección de investigación en la División de Física de Berkeley Lab, " ella dijo, agregando que el programa también podría demostrar detectores ultrasensibles que tienen aplicaciones en otros campos de la ciencia.