Búsqueda de materia oscura impulsada por Quantum Tech

2021-02-13
Los grandes cúmulos de galaxias contienen materia tanto oscura como normal. La inmensa gravedad de todo este material deforma el espacio alrededor del cúmulo, provocando que la luz de los objetos ubicados detrás del cúmulo se distorsione y aumente. Este fenómeno se llama lente gravitacional. NASA / ESA

Casi un siglo después de que se propusiera por primera vez la materia oscura para explicar el movimiento de los cúmulos de galaxias, los físicos aún no tienen idea de qué está hecho.

Investigadores de todo el mundo han construido decenas de detectores con la esperanza de descubrir la materia oscura. Como estudiante de posgrado, ayudé a diseñar y operar uno de estos detectores, acertadamente llamado HAYSTAC (Haloscopio en Yale Sensitive To Axion CDM). Pero a pesar de décadas de esfuerzo experimental, los científicos aún tienen que identificar la partícula de materia oscura.

Ahora, la búsqueda de materia oscura ha recibido una ayuda poco probable de la tecnología utilizada en la investigación de la computación cuántica. En un nuevo artículo publicado en la revista Nature, mis colegas del equipo de HAYSTAC y yo describimos cómo usamos un poco de truco cuántico para duplicar la velocidad a la que nuestro detector puede buscar materia oscura. Nuestro resultado agrega un impulso de velocidad muy necesario a la búsqueda de esta misteriosa partícula.

La ex postdoctoral de Yale Danielle Speller, quien ahora es profesora asistente en la Universidad Johns Hopkins, documenta el proceso de ensamblaje del detector HAYSTAC.

Buscando una señal de materia oscura

Existe evidencia convincente de la astrofísica y la cosmología de que una sustancia desconocida llamada materia oscura constituye más del 80 por ciento de la materia del universo. Los físicos teóricos han propuesto decenas de nuevas partículas fundamentales  que podrían explicar la materia oscura. Pero para determinar cuál, si es que alguna, de estas teorías es correcta, los investigadores deben construir diferentes detectores para probar cada una.

Una teoría prominente propone que la materia oscura está hecha de partículas aún hipotéticas llamadas axiones que se comportan colectivamente como una onda invisible que oscila a una frecuencia muy específica a través del cosmos. Los detectores de axiones , incluido HAYSTAC, funcionan como receptores de radio, pero en lugar de convertir ondas de radio en ondas sonoras, su objetivo es convertir las ondas de axiones en ondas electromagnéticas. Específicamente, los detectores de axiones miden dos cantidades llamadas  cuadraturas de campo electromagnético . Estas cuadraturas son dos tipos distintos de oscilación en la onda electromagnética que se produciría si existieran axiones.

El principal desafío en la búsqueda de axiones es que nadie conoce la frecuencia de la hipotética onda de axiones. Imagina que estás en una ciudad desconocida buscando una estación de radio en particular trabajando en la banda de FM una frecuencia a la vez. Los cazadores de Axion hacen casi lo mismo: sintonizan sus detectores en una amplia gama de frecuencias en pasos discretos. Cada paso puede cubrir solo un rango muy pequeño de posibles frecuencias de axiones. Este pequeño rango es el ancho de banda del detector.

Normalmente, sintonizar una radio implica hacer una pausa de unos segundos en cada paso para ver si ha encontrado la emisora ​​que está buscando. Eso es más difícil si la señal es débil y hay mucha estática. Una señal de axión, incluso en los detectores más sensibles, sería extraordinariamente débil en comparación con la estática de las fluctuaciones electromagnéticas aleatorias, que los físicos llaman ruido. Cuanto más ruido haya, más tiempo debe permanecer el detector en cada paso de sintonización para escuchar una señal de axión.

Desafortunadamente, los investigadores no pueden contar con captar la transmisión de axiones después de unas pocas docenas de giros del dial de radio. Una radio FM sintoniza desde solo 88 a 108 megahercios (1 megahercio es 1 millón de hercios). La frecuencia del axión, por el contrario, puede estar entre 300 hercios y 300 mil millones de hercios. Al ritmo que van los detectores de hoy , encontrar el axión o probar que no existe podría llevar más de 10.000 años .

Exprimiendo el ruido cuántico

En el equipo de HAYSTAC, no tenemos ese tipo de paciencia. Así que en 2012 nos propusimos acelerar la búsqueda de axiones haciendo todo lo posible para reducir el ruido. Pero en 2017 nos encontramos con un límite mínimo de ruido fundamental debido a una ley de la física cuántica conocida como principio de incertidumbre .

El principio de incertidumbre establece que es imposible conocer los valores exactos de ciertas cantidades físicas simultáneamente; por ejemplo, no se puede conocer la posición y el momento de una partícula al mismo tiempo. Recuerde que los detectores de axiones buscan el axión midiendo dos cuadraturas, esos tipos específicos de oscilaciones de campo electromagnético. El principio de incertidumbre prohíbe el conocimiento preciso de ambas cuadraturas al agregar una cantidad mínima de ruido a las oscilaciones en cuadratura.

En los detectores de axiones convencionales, el ruido cuántico del principio de incertidumbre oscurece ambas cuadraturas por igual. Este ruido no se puede eliminar, pero con las herramientas adecuadas se puede controlar. Nuestro equipo encontró una forma de barajar el ruido cuántico en el detector HAYSTAC, reduciendo su efecto en una cuadratura y aumentando su efecto en la otra. Esta técnica de manipulación de ruido se llama compresión cuántica .

En un esfuerzo dirigido por los estudiantes graduados Kelly Backes y Dan Palken , el equipo de HAYSTAC asumió el desafío de implementar la compresión en nuestro detector, utilizando tecnología de circuitos superconductores tomada de la investigación de la computación cuántica. Las computadoras cuánticas de propósito general quedan muy lejos , pero nuestro nuevo artículo muestra que esta tecnología de compresión puede acelerar de inmediato la búsqueda de materia oscura.

La estudiante graduada de Yale Kelly Backes y el ex estudiante graduado de Colorado Dan Palken ensamblan piezas de la configuración del estado de apretón.

Mayor ancho de banda, búsqueda más rápida

Nuestro equipo logró eliminar el ruido en el detector HAYSTAC. Pero, ¿cómo usamos esto para acelerar la búsqueda de axiones?

La compresión cuántica no reduce el ruido de manera uniforme en todo el ancho de banda del detector de axiones. En cambio, tiene el mayor efecto en los bordes . Imagina que sintonizas tu radio a 88,3 megahercios, pero la estación que quieres está en 88,1. Con la compresión cuántica, podrá escuchar su canción favorita en una estación de distancia.

En el mundo de la radiodifusión, esto sería una receta para el desastre, porque diferentes estaciones interferirían entre sí. Pero con solo una señal de materia oscura para buscar, un ancho de banda más amplio permite a los físicos buscar más rápido al cubrir más frecuencias a la vez. En nuestro último resultado utilizamos la compresión para duplicar el ancho de banda de HAYSTAC , lo que nos permite buscar axiones dos veces más rápido que antes.

La compresión cuántica por sí sola no es suficiente para escanear todas las frecuencias de axiones posibles en un tiempo razonable. Pero duplicar la velocidad de escaneo es un gran paso en la dirección correcta, y creemos que nuevas mejoras en nuestro sistema de compresión cuántica pueden permitirnos escanear 10 veces más rápido.

Nadie sabe si existen axiones o si resolverán el misterio de la materia oscura; pero gracias a esta aplicación inesperada de la tecnología cuántica, estamos un paso más cerca de responder a estas preguntas.

Benjamin Brubaker es un becario postdoctoral en física cuántica en la Universidad de Colorado Boulder.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Puedes encontrar el artículo original aquí .

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