p Descobrir como estender a busca por partículas de matéria escura - a matéria escura descreve o material que compõe cerca de 85 por cento da massa total do universo, mas até agora só foi medido por seus efeitos gravitacionais - é um pouco como construir um melhor ratoeira ... isto é, uma ratoeira para um rato que você nunca viu, nunca verá diretamente, pode ser acompanhado por uma variedade ímpar de outros ratos, ou pode não ser um mouse, afinal. p Agora, por meio de um novo programa de pesquisa apoiado pelo Escritório de Física de Altas Energias (HEP) do Departamento de Energia dos EUA, um consórcio de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab), UC Berkeley, e a Universidade de Massachusetts Amherst desenvolverá sensores que alistam as propriedades aparentemente estranhas da física quântica para sondar partículas de matéria escura de novas maneiras, com maior sensibilidade, e em regiões não mapeadas. Maurice Garcia-Sciveres, um físico do Berkeley Lab, está liderando este Consórcio Quantum Sensors HEP-Quantum Information Science (QIS).

p As tecnologias quânticas estão surgindo como alternativas promissoras para as "ratoeiras" mais convencionais que os pesquisadores usaram anteriormente para rastrear partículas elusivas. E o DOE, através do mesmo escritório HEP, também está apoiando uma coleção de outros esforços de pesquisa liderados por cientistas do Berkeley Lab que exploram a teoria quântica, propriedades, e tecnologias no campo QIS.

p Esses esforços incluem:

• Desvendando a estrutura quântica da cromodinâmica quântica nos geradores de Monte Carlo do chuveiro Parton - Este esforço desenvolverá programas de computador que testam as interações entre as partículas fundamentais em detalhes extremos. As simulações de computador atuais são limitadas por algoritmos clássicos, embora os algoritmos quânticos possam modelar com mais precisão essas interações e fornecer uma maneira melhor de comparar e compreender eventos de partículas medidos no Grande Colisor de Hádrons do CERN, o colisor de partículas mais poderoso do mundo. Christian Bauer do Berkeley Lab, um cientista pesquisador sênior, vai liderar este esforço.
• Quantum Pattern Recognition (QPR) para Física de Alta Energia - aceleradores de partículas cada vez mais poderosos requerem algoritmos de computador muito mais rápidos para monitorar e classificar bilhões de eventos de partículas por segundo, e este esforço irá desenvolver e estudar o potencial de algoritmos baseados em quantum para reconhecimento de padrões para reconstruir partículas carregadas. Esses algoritmos têm potencial para melhorias significativas de velocidade e maior precisão. Liderado pelo físico do Berkeley Lab e companheiro de divisão, Heather Gray, este esforço envolverá física de alta energia e especialização em computação de alto desempenho na Divisão de Física do Berkeley Lab e no Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional do Laboratório, um DOE Office of Science User Facility, e também na UC Berkeley.
• Skipper-CCD, um novo sensor de fóton único para imagens quânticas - nos últimos seis anos, O Berkeley Lab e o Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) têm colaborado no desenvolvimento de um detector para experimentos astrofísicos que podem detectar a menor unidade individual de luz, conhecido como fóton. Este detector Skipper-CCD foi demonstrado com sucesso no verão de 2017 com um ruído incrivelmente baixo que permitiu a detecção de até elétrons individuais. Como uma próxima etapa, este esforço liderado pelo Fermilab buscará imagens de pares de fótons que existem em um estado de emaranhamento quântico, o que significa que suas propriedades estão inerentemente relacionadas - mesmo em longas distâncias - de modo que a medição de uma das partículas necessariamente define as propriedades da outra. Steve Holland, um cientista sênior e engenheiro do Berkeley Lab que é um pioneiro no desenvolvimento de detectores de silício de alto desempenho para uma variedade de usos, está liderando a participação do Berkeley Lab neste projeto.
• Geometria e Fluxo de Informação Quântica:Da Gravidade Quântica à Tecnologia Quântica - Este esforço irá desenvolver algoritmos quânticos e simulações para propriedades, incluindo correção de erros e embaralhamento de informações, que são relevantes para as teorias de buracos negros e para a computação quântica envolvendo matrizes altamente conectadas de qubits supercondutores - as unidades básicas de um computador quântico. Os pesquisadores também irão compará-los com métodos mais clássicos. UC Berkeley está liderando este programa de pesquisa, e Irfan Siddiqi, um cientista da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e diretor fundador do Center for Quantum Coherent Science na UC Berkeley, está liderando o envolvimento do Berkeley Lab.
• Siddiqi também está liderando um programa de pesquisa separado, Controle quântico baseado em array de portas programáveis ​​em campo para simulações de física de alta energia com Qutrits, que irá desenvolver ferramentas especializadas e famílias lógicas para computação quântica com foco em física de alta energia. Esse esforço envolve a Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada do Berkeley Lab.

p Esses projetos também fazem parte do Berkeley Quantum, uma parceria que aproveita a experiência e as instalações do Berkeley Lab e da UC Berkeley para aprimorar as capacidades quânticas dos EUA por meio da realização de pesquisas básicas, fabricar e testar dispositivos e tecnologias baseados em quantum, e educar a próxima geração de pesquisadores.

p Também, em vários de seus escritórios, o DOE anunciou apoio para uma onda de outros esforços de P&D que promoverão a inovação colaborativa na ciência da informação quântica no Berkeley Lab, em outros laboratórios nacionais, e em instituições parceiras.

p No Berkeley Lab, o maior empreendimento relacionado ao QIS financiado pelo HEP incluirá uma equipe multidisciplinar no desenvolvimento e demonstração de sensores quânticos para procurar partículas de matéria escura de massa muito baixa - a chamada "matéria escura clara" - instrumentando dois detectores diferentes.

p Um desses detectores usará hélio líquido em uma temperatura muito baixa, onde fenômenos familiares, como calor e condutividade térmica, apresentam comportamento quântico. O outro detector usará cristais especialmente fabricados de arsenieto de gálio (veja um artigo relacionado), também resfriado a temperaturas criogênicas. As ideias de como esses experimentos podem pesquisar matéria escura muito clara surgiram de trabalhos teóricos no Laboratório de Berkeley.

p "Há muito território inexplorado na matéria escura de baixa massa, "disse Natalie Roe, diretor da Divisão de Física do Berkeley Lab e principal investigador dos esforços quânticos relacionados ao HEP do laboratório. "Temos todas as peças para reunir isso:em teoria, experimentos, e detectores. "

p Garcia-Sciveres, que está liderando o esforço de aplicação de sensores quânticos para a pesquisa de matéria escura de baixa massa, observou que outros esforços importantes - como o experimento LUX-ZEPLIN (LZ) liderado pelo Laboratório de Berkeley que está tomando forma em Dakota do Sul - ajudarão a descobrir se as partículas de matéria escura conhecidas como WIMPs (partículas massivas de interação fraca) existem com massas comparáveis ​​a a dos átomos. Mas LZ e experimentos semelhantes não são projetados para detectar partículas de matéria escura de massas muito menores.

p "Os experimentos WIMP tradicionais de matéria escura não encontraram nada ainda, "disse ele." E há muito trabalho teórico sobre modelos que favorecem partículas de massa menor do que experimentos como LZ podem medir, ", acrescentou." Isso motivou as pessoas a realmente olharem com atenção para descobrir como é possível detectar partículas de massa muito baixa. Não é tão fácil. É um sinal muito pequeno que deve ser detectado sem nenhum ruído de fundo. "

p Os pesquisadores esperam desenvolver sensores quânticos que sejam melhores em filtrar o ruído de sinais indesejados. Embora um experimento WIMP tradicional seja projetado para detectar o recuo de um núcleo atômico inteiro após ser "chutado" por uma partícula de matéria escura, partículas de matéria escura de massa muito baixa ricochetearão nos núcleos sem afetá-los, como uma pulga pulando em um elefante.

p O objetivo do novo esforço é sentir as partículas de baixa massa por meio de sua transferência de energia na forma de vibrações quânticas muito fracas, que têm nomes como "fonons" ou "rotons, " por exemplo, Garcia-Sciveres disse.

p "Você nunca seria capaz de dizer que uma pulga invisível atinge um elefante apenas observando o elefante. Mas e se toda vez que uma pulga invisível atingir um elefante em uma extremidade do rebanho, uma pulga visível é atirada para longe de um elefante do outro lado do rebanho? ", disse ele.

p "Você poderia usar esses sensores para observar esses pequenos sinais em um cristal muito frio ou hélio superfluido, onde uma partícula de matéria escura que chega é como uma pulga invisível, e a pulga visível que sai é uma vibração quântica que deve ser detectada. "

p A comunidade de física de partículas realizou alguns workshops para refletir sobre as possibilidades de detecção de matéria escura de baixa massa. "Este é um novo regime. Esta é uma área onde ainda não há medições. Há uma promessa de que as técnicas de QIS podem nos ajudar a nos dar mais sensibilidade aos pequenos sinais que estamos procurando, "Garcia-Sciveres acrescentou." Vamos ver se isso é verdade. "

p Os detectores de demonstração terão, cada um, cerca de 1 centímetro cúbico de material detector. Dan McKinsey, um cientista sênior do Berkeley Lab e professor de física da UC Berkeley, responsável pelo desenvolvimento do detector de hélio líquido, disse que os detectores serão construídos no campus da UC Berkeley. Ambos são projetados para serem sensíveis a partículas com uma massa mais leve do que os prótons - as partículas carregadas positivamente que residem nos núcleos atômicos.

p O detector de hélio superfluido fará uso de um processo chamado "evaporação quântica, "em que rotons e fônons fazem com que átomos de hélio individuais evaporem da superfície do hélio superfluido.

p Kathryn Zurek, um físico do Berkeley Lab e teórico pioneiro na busca por partículas de matéria escura de massa muito baixa que está trabalhando no projeto do sensor quântico, disse que a tecnologia para detectar esses "sussurros" de matéria escura não existia apenas uma década atrás, mas "teve grandes ganhos nos últimos anos." Ela também notou, "Houve um grande ceticismo sobre o quão realista seria procurar por esta matéria escura de massa clara, mas a comunidade se moveu mais amplamente nessa direção. "

p Existem muitas sinergias na experiência e nas capacidades desenvolvidas tanto no Berkeley Lab quanto no campus da UC Berkeley que o tornam um bom momento - e o lugar certo - para desenvolver e aplicar tecnologias quânticas para a caça à matéria escura, Zurek disse.

p As teorias desenvolvidas no Berkeley Lab sugerem que certos materiais exóticos exibem estados quânticos ou "modos" com os quais as partículas de matéria escura de baixa massa podem se acoplar, o que tornaria as partículas detectáveis ​​- como a "pulga visível" mencionada acima.

p "Essas ideias são a motivação para a construção desses experimentos de busca de matéria escura clara, "Zurek disse." Esta é uma abordagem ampla e multifacetada, e a ideia é que será um trampolim para um esforço maior. "

p O novo projeto será baseado em uma profunda experiência na construção de outros tipos de detectores de partículas, e P&D em sensores ultrassensíveis que operam no limite onde um material eletricamente condutor se torna um supercondutor - o "ponto de inflexão" que é sensível às menores flutuações. Versões desses sensores já são usadas para pesquisar leves variações de temperatura na luz de microondas da relíquia que abrange o universo.

p No final da demonstração de três anos, os pesquisadores talvez pudessem voltar seus olhos para tipos mais exóticos de materiais detectores em volumes maiores.

p "Estou animado para ver este programa avançar, e acho que se tornará uma direção de pesquisa significativa na Divisão de Física do Berkeley Lab, " ela disse, acrescentando que o programa também pode demonstrar detectores ultrassensíveis que têm aplicações em outros campos da ciência.