Durante casi un siglo, Los científicos han trabajado para desentrañar el misterio de la materia oscura, una sustancia elusiva que se esparce por el universo y probablemente constituye gran parte de su masa. pero hasta ahora ha resultado imposible de detectar en experimentos. Ahora, un equipo de investigadores ha utilizado una técnica innovadora llamada "compresión cuántica" para acelerar drásticamente la búsqueda de un candidato para la materia oscura en el laboratorio.

Los resultados, publicado hoy en la revista Naturaleza , se centra en una partícula increíblemente liviana y aún no descubierta llamada axión. Según la teoría, Los axiones son probablemente miles de millones a billones de veces más pequeños que los electrones y pueden haber sido creados durante el Big Bang en cantidades gigantescas, lo suficiente como para explicar potencialmente la existencia de materia oscura.

Al encontrar esta partícula prometedora, sin embargo, es un poco como buscar una sola aguja cuántica en un pajar realmente grande.

Puede haber algo de alivio a la vista. Investigadores en un proyecto llamado, apropiadamente, el Haloscopio en Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) informa que han mejorado la eficiencia de su caza más allá de un obstáculo fundamental impuesto por las leyes de la termodinámica. El grupo incluye científicos de JILA, un instituto de investigación conjunto de la Universidad de Colorado Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

"Es duplicar la velocidad de lo que podíamos hacer antes, "dijo Kelly Backes, uno de los dos autores principales del nuevo artículo y estudiante de posgrado en la Universidad de Yale.

El nuevo enfoque permite a los investigadores separar mejor las señales increíblemente débiles de posibles axiones del ruido aleatorio que existe a escalas extremadamente pequeñas en la naturaleza. a veces llamadas "fluctuaciones cuánticas". Las posibilidades del equipo de encontrar el axión en los próximos años son tan probables como ganar la lotería. dijo el coautor del estudio Konrad Lehnert, un miembro del NIST en JILA. Pero esas probabilidades solo mejorarán.

"Una vez que tenga una forma de evitar las fluctuaciones cuánticas, su camino puede hacerse cada vez mejor, "dijo Lehnert, también profesor adjunto en el Departamento de Física de CU Boulder.

HAYSTAC está dirigido por Yale y es una asociación con JILA y la Universidad de California, Berkeley.

Leyes cuánticas

Daniel Palken, el co-primer autor del nuevo artículo, explicó que lo que hace que el axión sea tan difícil de encontrar es también lo que lo convierte en un candidato ideal para la materia oscura:es liviano, no lleva carga eléctrica y casi nunca interactúa con la materia normal.

"No tienen ninguna de las propiedades que hacen que una partícula sea fácil de detectar, "dijo Palken, quien obtuvo su Ph.D. de JILA en 2020

Pero hay un lado positivo:si los axiones atraviesan un campo magnético lo suficientemente fuerte, un pequeño número de ellos puede transformarse en ondas de luz, y eso es algo que los científicos pueden detectar. Los investigadores han realizado esfuerzos para encontrar esas señales en poderosos campos magnéticos en el espacio. El experimento HAYSTAC, sin embargo, mantiene sus pies plantados en la Tierra.

El proyecto, que publicó sus primeros hallazgos en 2017, emplea una instalación ultra fría en el campus de Yale para crear fuertes campos magnéticos, luego intente detectar la señal de los axiones convirtiéndose en luz. No es una búsqueda fácil. Los científicos han predicho que los axiones podrían exhibir una gama extremadamente amplia de masas teóricas, cada uno de los cuales produciría una señal a una frecuencia de luz diferente en un experimento como HAYSTAC. Para encontrar la partícula real, luego, es posible que el equipo tenga que examinar una amplia gama de posibilidades, como sintonizar una radio para encontrar una, estación débil.

"Si intenta profundizar en estas señales realmente débiles, podría terminar llevándote miles de años, "Dijo Palken.

Algunos de los mayores obstáculos que enfrenta el equipo son las propias leyes de la mecánica cuántica, a saber, el principio de incertidumbre de Heisenberg, lo que limita la precisión que pueden tener los científicos en sus observaciones de partículas. En este caso, el equipo no puede medir con precisión dos propiedades diferentes de la luz producida por axiones al mismo tiempo.

El equipo de HAYSTAC, sin embargo, ha aterrizado en un camino para esquivar esas leyes inmutables.

Incertidumbres cambiantes

El truco se reduce a utilizar una herramienta llamada amplificador paramétrico Josephson. Los científicos de JILA desarrollaron una forma de utilizar estos pequeños dispositivos para "exprimir" la luz que obtenían del experimento HAYSTAC.

Palken explicó que el equipo de HAYSTAC no necesita detectar ambas propiedades de las ondas de luz entrantes con precisión, solo una de ellas. La compresión se aprovecha de eso al cambiar las incertidumbres en las mediciones de una de esas variables a otra.

"Exprimir es solo nuestra forma de manipular el vacío mecánico cuántico para ponernos en posición de medir muy bien una variable, ", Dijo Palken." Si intentáramos medir la otra variable, encontraríamos que tendríamos muy poca precisión ".

Para probar el método, los investigadores hicieron una prueba en Yale para buscar la partícula en un cierto rango de masas. No lo encontraron pero el experimento tomó la mitad del tiempo que normalmente tomaría, Dijo Backes.

"Hicimos una ejecución de datos de 100 días, "ella dijo." Normalmente, este documento nos hubiera llevado 200 días para completarlo, así que ahorramos un tercio de año, lo cual es bastante increíble ".

Lehnert agregó que el grupo está ansioso por llevar esos límites aún más lejos, ideando nuevas formas de excavar en busca de esa aguja siempre esquiva.

"Queda mucha carne en el hueso para hacer que la idea funcione mejor, " él dijo.