Los científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía y la Universidad de Chicago han demostrado una nueva técnica basada en tecnología cuántica que avanzará en la búsqueda de materia oscura. la materia invisible que representa el 85% de toda la materia del universo.

La colaboración ha desarrollado versiones superconductoras de dispositivos llamados qubits que podrán detectar las señales débiles emitidas por dos tipos de partículas subatómicas hipotéticas que podrían residir en una parte invisible pero ubicua del universo llamada sector oscuro. Uno se llama axión, un candidato líder en materia oscura. El otro se llama fotón oculto, una partícula que posiblemente interactúa con los fotones —partículas de luz— del universo visible.

La técnica ahora demostrada por el equipo de Fermilab-University of Chicago es 36 veces más sensible a las partículas que el límite cuántico. un punto de referencia de las mediciones cuánticas convencionales, permitir que las búsquedas de materia oscura procedan 1, 000 veces más rápido.

Usar la luz para detectar partículas oscuras

En la técnica, los qubits están diseñados para detectar los fotones que se producirían cuando las partículas de materia oscura interactúan con un campo electromagnético. El beneficio de usar qubits como detectores en lugar de la tecnología convencional radica en la forma en que interactúan con los fotones.

La clave de la sensibilidad de la técnica es su capacidad para eliminar lecturas falsas positivas. Las técnicas convencionales destruyen los fotones que miden. Pero la nueva técnica puede sondear el fotón sin destruirlo. Haciendo mediciones repetidas del mismo fotón, en el transcurso de su vida útil de 500 microsegundos, proporciona un seguro contra lecturas erróneas.

"Para realizar una medición del fotón una vez con el qubit se necesitan unos 10 microsegundos, por lo que podemos hacer alrededor de 50 mediciones repetidas del mismo fotón durante su vida útil, "dijo Akash Dixit, estudiante de doctorado en física en la Universidad de Chicago.

Dixit y sus coautores, incluyendo a Aaron Chou de Fermilab, describir su técnica en Cartas de revisión física .

"Los experimentos que utilizaron técnicas convencionales no se acercaron a lo que debían ser para que pudiéramos detectar materia oscura de axiones de mayor masa, "Dijo Chou." El nivel de ruido es demasiado alto ".

Hay dos formas de hacer que un experimento sea más sensible a los sutiles indicios de nueva física que buscan los científicos. Uno es aumentar la señal haciendo detectores más grandes. Otro para reducir los niveles de ruido que ocultan las señales de destino. El equipo de Fermilab-Universidad de Chicago hizo lo último.

"Es una forma mucho más inteligente y económica de obtener las mismas grandes mejoras en la sensibilidad, "Dijo Chou." Ahora, el nivel del ruido estático se ha reducido tanto que tiene la oportunidad de ver los primeros pequeños meneos en sus mediciones debido a la muy, señal muy pequeña ".

La técnica beneficiará la búsqueda de cualquier candidato a materia oscura porque, cuando las partículas invisibles se convierten en fotones, pueden ser detectados.

"Donde el método convencional puede generar un fotón de ruido con cada medición, en nuestro detector obtienes un fotón de ruido por cada mil mediciones que realizas, "Dijo Dixit.

Dixit y sus colegas adaptaron su técnica de una desarrollada por el físico atómico Serge Haroche, quien compartió el Premio Nobel de Física 2012 por su hazaña. Chou ve la nueva técnica como parte de la progresión que comenzó con el desarrollo de la interacción sin demolición en la física atómica y ahora se importa al campo de los qubits superconductores.

Descubriendo axiones y fotones ocultos

Los físicos han avanzado poco en la detección de axiones desde que se propuso su existencia hace más de 30 años.

"Sabemos que hay una gran cantidad de masa a nuestro alrededor que no está hecha de la misma materia de la que estamos hechos tú y yo, "Dijo Chou." La naturaleza de la materia oscura es un misterio realmente convincente que muchos de nosotros estamos tratando de resolver ".

Las cavidades de microondas superconductoras son vitales para la nueva técnica. La cavidad utilizada en el experimento está hecha de aluminio de alta pureza (99,9999%). A temperaturas extremadamente bajas, el aluminio se vuelve superconductor, una propiedad que extiende la longevidad de los qubits, que por su naturaleza son de corta duración. La cavidad superconductora proporciona una forma de acumular y almacenar el fotón de señal. El qubit, una antena insertada en la cavidad, luego mide el fotón.

"El beneficio que obtenemos es que, una vez que tú, o la materia oscura, colocas un fotón en la cavidad, es capaz de retener el fotón durante mucho tiempo, "Dixit observó." Cuanto más tiempo la cavidad contiene el fotón, cuanto más tiempo tengamos para realizar una medición ".

La misma técnica puede encontrar fotones y axiones ocultos; este último requerirá un alto campo magnético para detectarlo.

Si existen axiones, el experimento actual proporciona uno en 10, 000 de que detecte un fotón producido por una interacción de materia oscura.

"Para mejorar aún más nuestra capacidad de detectar un evento tan raro, es necesario reducir la temperatura de los fotones, "dijo David Schuster, Profesor asociado de física de la Universidad de Chicago y coautor del nuevo artículo. Bajar la temperatura de los fotones aumentará aún más la sensibilidad a todos los candidatos a materia oscura, incluyendo fotones ocultos.

Los fotones del experimento se han enfriado a una temperatura de aproximadamente 40 milikelvins (menos 459,60 grados Fahrenheit), solo un toque por encima del cero absoluto. A los investigadores les gustaría llegar a una temperatura de funcionamiento tan baja como 8 milikelvins (menos 459,66 grados Fahrenheit). En este punto, el entorno para la búsqueda de materia oscura estaría impecable, efectivamente libre de fotones de fondo.

"Aunque definitivamente hay mucho camino por recorrer, hay motivos para ser optimistas, "dijo Schuster, cuyo grupo de investigación aplicará la misma tecnología a la computación cuántica. "Estamos utilizando la ciencia de la información cuántica para ayudar a la búsqueda de materia oscura, pero el mismo tipo de fotones de fondo también son una fuente de error potencial para los cálculos cuánticos. Así que esta investigación tiene usos más allá de la ciencia fundamental ".

Schuster dijo que el proyecto proporciona un buen ejemplo del tipo de colaboración que tiene sentido hacer entre un laboratorio universitario y un laboratorio nacional.

"Nuestro laboratorio universitario tenía la tecnología qubit, pero a largo plazo por nosotros mismos, realmente no pudimos hacer ningún tipo de búsqueda de materia oscura al nivel necesario. Ahí es donde la asociación del laboratorio nacional juega un papel importante, " él dijo.

La recompensa de este esfuerzo interdisciplinario podría ser enorme.

"Simplemente no hay forma de hacer estos experimentos sin las nuevas técnicas que desarrollamos, "Dijo Chou.