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Busque materia oscura impulsada por tecnología cuántica

Busque materia oscura impulsada por tecnología cuántica

Los grandes cúmulos de galaxias contienen materia normal oscura. La inmensa gravedad de todo este material distorsiona el espacio alrededor del cúmulo, provocando que la luz distorsione y magnifique los objetos detrás del cúmulo. 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 lo que se está haciendo.

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 usar uno de estos detectores, apropiadamente 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 investigación de la materia oscura ha recibido 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 pequeño truco cuántico para duplicar la velocidad con la que nuestro detector puede buscar materia oscura. Nuestro resultado agrega un impulso de velocidad muy necesario en la búsqueda de esta misteriosa partícula.

haystac de materia oscura

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

Sid Cahn

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Encuentra un signo de materia oscura

Existe evidencia convincente de la astrofísica y la cosmología de que una sustancia desconocida llamada materia oscura constituye más del 80% de la materia del universo. Los físicos teóricos han propuesto decenas de nuevas partículas fundamentales que podrían explicar la materia oscura. Pero para determinar cuáles de estas teorías, si las hay, son correctas, los investigadores deben construir diferentes detectores para probarlas.

Una teoría importante propone que la materia oscura está compuesta de partículas aún hipotéticas llamadas axiones que se comportan colectivamente como una onda invisible que oscila a una frecuencia muy específica en todo el cosmos. Los detectores de axiones, incluido HAYSTAC, funcionan de la misma manera que los receptores de radio, pero en lugar de convertir las ondas de radio en ondas sonoras, su objetivo es convertir las ondas de axiones en ondas electromagnéticas. Específicamente, los detectores de ejes miden dos cantidades llamadas cuadrados de campo electromagnético. Estos cuadrados son dos tipos distintos de oscilaciones en la onda electromagnética que se producirían si existieran axiones.

El principal desafío para encontrar axiones es que nadie conoce la frecuencia de la hipotética onda axiónica. Imagina que estás en una ciudad desconocida buscando una estación de radio específica mientras navegas por la banda de FM una frecuencia a la vez. Los cazadores de axiones hacen más o menos lo mismo: ajustan sus detectores en una amplia gama de frecuencias en pasos discretos. Cada fase puede cubrir solo un rango muy pequeño de posibles frecuencias de eje. Este pequeño espacio es el ancho de banda del detector.

La sintonización de una radio generalmente implica hacer una pausa de unos segundos en cada etapa para ver si ha encontrado la estación que está buscando. Es más difícil si la señal es débil y hay mucha electricidad estática. Una señal de axión, incluso en los detectores más sensibles, sería extremadamente débil en comparación con la estática de las fluctuaciones electromagnéticas aleatorias, que los físicos llaman ruido. Cuanto más fuerte sea el ruido, más tiempo tendrá que permanecer el detector en cada fase de sintonización para escuchar una señal de axión.

Desafortunadamente, los investigadores no pueden contar con la emisión del axión después de unas pocas docenas de rondas del dial de radio. Una radio FM transmite solo de 88 a 108 megahercios (1 megahercio equivale a 1 millón de hercios). La frecuencia axial, por otro lado, puede estar entre 300 hercios y 300 mil millones de hercios. Al ritmo actual de los detectores, encontrar un axión o demostrar que no existe puede llevar más de 10.000 años.

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Reduce el ruido cuántico

En el equipo de HAYSTAC, no tenemos ese tipo de paciencia. En 2012, por lo tanto, decidimos acelerar la búsqueda axial haciendo todo lo posible para reducir el ruido. Pero en 2017, encontramos un piso de ruido fundamental debido a una ley de la física cuántica conocida como el principio de incertidumbre.

El principio de incertidumbre establece que es imposible conocer los valores exactos de ciertas cantidades físicas simultáneamente: por ejemplo, no es posible conocer la posición y el momento de una partícula al mismo tiempo. Recuerde que los detectores de ejes buscan axiones midiendo dos cuadrados, estos tipos específicos de oscilaciones en el campo electromagnético. El principio de incertidumbre prohíbe el conocimiento preciso de los dos cuadrados, agregando un mínimo de ruido a las oscilaciones cuadráticas.

En los detectores de ejes convencionales, el ruido cuántico del principio de incertidumbre oscurece los dos cuadrados por igual. Este ruido no se puede eliminar, pero con las herramientas adecuadas se puede controlar. Nuestro equipo desarrolló una forma de combinar 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 uso general están todavía muy lejos, pero nuestro nuevo artículo muestra que esta tecnología de compresión puede acelerar instantáneamente la búsqueda de materia oscura.

haystac de materia oscura

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

Sid Cahn

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Más ancho de banda, búsqueda más rápida

Nuestro equipo pudo reducir el ruido en el detector HAYSTAC. Pero, ¿cómo lo usamos para acelerar la búsqueda de axiones?

La compresión cuántica no reduce uniformemente el ruido en el ancho de banda del detector de axiones. En cambio, tiene el mayor efecto en los bordes. Imagine que sintoniza su radio a 88,3 MHz, pero la estación deseada es en realidad 88,1. Con la compresión cuántica, puede escuchar su música favorita en una estación.

En el mundo de la radiodifusión, esto sería una receta para el desastre, ya que varias 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, cubriendo más frecuencias al mismo tiempo. En nuestro último resultado, usamos compresión para duplicar el ancho de banda de HAYSTAC, lo que nos permitió encontrar axiones dos veces más rápido que antes.

La compresión cuántica por sí sola no es suficiente para viajar a través de todas las frecuencias de eje posibles en un período de 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 inesperada aplicación de la tecnología cuántica, estamos a punto de dar respuesta a estas preguntas.

Benjamín Brubakeres investigador postdoctoral en física cuántica en la Universidad de Colorado en Boulder.

Este artículo ha sido republicado por La conversación bajo una licencia Creative Commons. Puedes encontrar el archivo artículo original aquí.

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