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Buscando materia oscura utilizando tecnología cuántica.

diciembre 3, 2018
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Durante décadas, los físicos han estado buscando la materia oscura, que no emite luz pero parece constituir la mayor parte de la materia en el universo. Se han propuesto varias partículas teóricas como candidatas a la materia oscura, incluidas partículas masivas de interacción débil, llamadas WIMP, y axiones.

Aaron Chou, de Fermilab, encabeza un consorcio multiinstitucional para aplicar las técnicas de metrología cuántica al problema de la detección de la materia oscura del axión. El proyecto, que reúne a científicos en Fermilab, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, la Universidad de Chicago, la Universidad de Colorado y la Universidad de Yale, recibió recientemente $ 2.1 millones durante dos años a través del Departamento de Energía Quantum Information Science Enabled Discovery ( QuantISED), que busca avanzar la ciencia a través de tecnologías basadas en cuántica.

Si los científicos tienen éxito, el descubrimiento podría resolver varios misterios cosmológicos a la vez.

“Sería la primera vez que alguien hubiera encontrado evidencia directa de la existencia de materia oscura”, dice Daniel Bowring, de Fermilab, cuyo trabajo en este esfuerzo está respaldado por un Premio de Investigación de Carrera Temprana de la Oficina de Ciencia del DOE. “En este momento, estamos inferiendo la existencia de materia oscura del comportamiento de los cuerpos astrofísicos. Hay muy buena evidencia de la existencia de materia oscura basada en esas observaciones, pero aún no se ha encontrado una partícula “.

La busqueda de axion

Encontrar un axión también resolvería una discrepancia en la física de partículas llamada el problema del PC fuerte. Las partículas y antipartículas son “simétricas” entre sí: exhiben un comportamiento de imagen especular en términos de carga eléctrica y otras propiedades.

La fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, obedece a la simetría del PC. Pero no hay razón, al menos en el Modelo Estándar de física, por qué debería. El axion fue propuesto por primera vez para explicar por qué lo hace.

Encontrar un axión es una tarea delicada, incluso en comparación con otras búsquedas de materia oscura. La masa de un axión es extremadamente baja, en algún lugar entre una millonésima y una milésima parte de un voltvoltio electrónico. En comparación, se espera que la masa de un WIMP sea entre un billón y cuatrillones de veces más masiva, en el rango de mil millones de electronvoltios, lo que significa que son lo suficientemente pesados ​​como para producir una señal al chocar contra los núcleos de otros. átomos Para buscar WIMPs, los científicos llenan los detectores con xenón líquido (por ejemplo, en el experimento de materia oscura LUX-ZEPLIN en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur) o cristales de germanio (en el experimento de SuperCDMS Soudan en Minnesota) y buscan indicaciones de tales una colision.

“No se puede hacer eso con los axiones porque son muy ligeros”, dice Bowring. “Entonces, la forma en que buscamos los axiones es fundamentalmente diferente de la forma en que buscamos partículas más masivas”.

Cuando un axión encuentra un campo magnético fuerte, debería, al menos en teoría, producir un solo fotón de frecuencia de microondas, una partícula de luz. Al detectar ese fotón, los científicos deberían poder confirmar la existencia de axiones. El experimento Axion Dark Matter, ADMX, en la Universidad de Washington y el experimento HAYSTAC en Yale están tratando de hacer precisamente eso.

Esos experimentos utilizan un imán superconductor fuerte para convertir los axiones en fotones en una cavidad de microondas. La cavidad puede ajustarse a diferentes frecuencias de resonancia para aumentar la interacción entre el campo de fotones y los axiones. Un receptor de microondas luego detecta la señal de fotones que resulta de la interacción. La señal se alimenta a través de un amplificador, y los científicos buscan esa señal amplificada.

“Pero hay un límite cuántico fundamental sobre lo bueno que puede ser un amplificador”, dice Bowring.

Los fotones son ubicuos, lo que introduce un alto grado de ruido que debe filtrarse de la señal detectada en la cavidad del microondas. Y a frecuencias de resonancia más altas, la relación señal / ruido empeora progresivamente.

Tanto Bowring como Chou están explorando cómo utilizar la tecnología desarrollada para la computación cuántica y el procesamiento de la información para solucionar este problema. En lugar de amplificar la señal y separarla del ruido, pretenden desarrollar nuevos tipos de detectores de axión que contarán fotones con mucha precisión, con qubits.

La ventaja qubit.

En una computadora cuántica, la información se almacena en qubits o bits cuánticos. Un qubit puede construirse a partir de una sola partícula subatómica, como un electrón o un fotón, o de metamateriales diseñados como los átomos artificiales superconductores. El diseño de la computadora aprovecha los sistemas cuánticos de dos estados de las partículas, como el giro de un electrón (arriba o abajo) o la polarización de un fotón (vertical u horizontal). Y a diferencia de los bits de computadora clásicos, que tienen uno de solo dos estados (uno o cero), los qubits también pueden existir en una superposición cuántica, una especie de adición de los dos estados cuánticos de la partícula. Esta característica tiene innumerables aplicaciones potenciales en computación cuántica que los físicos apenas están comenzando a explorar.

En la búsqueda de axiones, Bowring y Chou están usando qubits. Para que un detector tradicional basado en una antena note un fotón producido por un axión, debe absorber el fotón, destruyéndolo en el proceso. Un qubit, por otro lado, puede interactuar con el fotón muchas veces sin aniquilarlo. Debido a esto, el detector basado en qubit dará a los científicos una posibilidad mucho mayor de detectar materia oscura.

“La razón por la que queremos usar tecnología cuántica es que la comunidad de computación cuántica ya ha tenido que desarrollar estos dispositivos que pueden manipular un solo fotón de microondas”, dice Chou. “Estamos haciendo lo mismo, excepto que un solo fotón de información que se almacena dentro de este contenedor no es algo que alguien ponga allí como parte del cálculo. Es algo que la materia oscura pone allí “.

Reflejo de luz

El uso de un qubit para detectar un fotón producido por axion trae su propio conjunto de desafíos al proyecto. En muchas computadoras cuánticas, los qubits se almacenan en cavidades hechas de materiales superconductores. El superconductor tiene paredes altamente reflectantes que atrapan efectivamente un fotón el tiempo suficiente para realizar cálculos con él. Pero no puedes usar un superconductor alrededor de imanes de alta potencia como los que se usan en los experimentos de Bowring y Chou.

“El superconductor está arruinado por los imanes”, dice Chou. Actualmente, están utilizando el cobre como un reflector ersatz.

“Pero el problema es que, en estas frecuencias, el cobre almacenará un solo fotón por solo 10,000 rebotes en lugar de, digamos, un billón de rebotes en los espejos”, dice. “Por lo tanto, no podemos mantener a estos fotones por mucho tiempo antes de que se absorban”.

Y eso significa que no se quedan el tiempo suficiente como para ser recogidos como una señal. Así que los investigadores están desarrollando otro, mejor contenedor de fotones.

“Estamos tratando de hacer una cavidad con cristales de muy baja pérdida”, dice Chou.

Piensa en una ventana. Cuando la luz lo golpea, algunos fotones rebotan en él y otros lo atraviesan. Coloque otra pieza de vidrio detrás de la primera. Algunos de los fotones que pasaron a través del primero rebotarán en el segundo, y otros pasarán a través de ambas piezas de vidrio. Agregue una tercera capa de vidrio y una cuarta, y así sucesivamente.

“A pesar de que cada capa individual no es tan reflexiva por sí misma, la suma de los reflejos de todas las capas te da un buen reflejo al final”, dice Chou. “Queremos hacer un material que atrape la luz durante mucho tiempo”.

Bowring ve el uso de la tecnología de computación cuántica en la búsqueda de materia oscura como una oportunidad para cruzar los límites que a menudo mantienen diferentes disciplinas separadas.

“Podría preguntarse por qué Fermilab querría involucrarse en la tecnología cuántica si se trata de un laboratorio de física de partículas”, dice. “La respuesta es, al menos en parte, que la tecnología cuántica nos permite hacer mejor la física de partículas. Tiene sentido bajar esas barreras ”.

Nota del editor: Este artículo está adaptado de un artículo publicado por Fermilab.