Os cientistas do Fermilab estão aproveitando a tecnologia quântica em busca de matéria escura.

Por décadas, físicos têm procurado coisas elusivas, que não emite luz, mas parece constituir a grande maioria da matéria no universo. Várias partículas teóricas foram propostas como candidatas à matéria escura, incluindo partículas massivas de interação fraca (WIMPs) e axions.

Aaron Chou, do Fermilab, está liderando um consórcio multi-institucional para aplicar as técnicas da metrologia quântica ao problema de detecção de matéria escura dos axiões. O projeto, que reúne cientistas do Fermilab, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, a Universidade de Chicago, University of Colorado e Yale University, recebeu recentemente US $ 2,1 milhões em dois anos por meio do programa Quantum Information Science-Enabled Discovery (QuantISED) do Departamento de Energia, que busca o avanço da ciência por meio de tecnologias baseadas em quantum.

Se os cientistas tiverem sucesso, a descoberta poderia resolver vários mistérios cosmológicos de uma vez.

"Seria a primeira vez que alguém encontraria qualquer evidência direta da existência de matéria escura, "disse Daniel Bowring do Fermilab, cujo trabalho neste esforço é apoiado por um prêmio DOE Office of Science Early Career Research. "Agora mesmo, estamos inferindo a existência de matéria escura a partir do comportamento dos corpos astrofísicos. Existem evidências muito boas da existência de matéria escura com base nessas observações, mas ninguém encontrou uma partícula ainda. "

A busca axion

Encontrar um áxion também resolveria uma discrepância na física de partículas chamada de problema de CP forte. Partículas e antipartículas são "simétricas" umas às outras:elas exibem um comportamento de imagem de espelho em termos de carga elétrica e outras propriedades.

A força forte - uma das quatro forças fundamentais da natureza - obedece à simetria do CP. Mas não há razão, pelo menos no modelo padrão da física, por que deveria. O áxion foi proposto pela primeira vez para explicar por que isso acontece.

Encontrar um axion é um empreendimento delicado, mesmo em comparação com outras pesquisas de matéria escura. A massa de um axião é extremamente baixa - algo entre um milionésimo e um milésimo de um elétron-volt. Por comparação, espera-se que a massa de um WIMP seja entre um trilhão e quatrilhão de vezes mais massiva - na faixa de um bilhão de eletronvolts - o que significa que eles são pesados ​​o suficiente para que possam ocasionalmente produzir um sinal colidindo com os núcleos de outros átomos. Para procurar WIMPs, cientistas enchem os detectores com xenônio líquido (por exemplo, no experimento de matéria escura LUX-ZEPLIN no Sanford Underground Research Facility em South Dakota) ou cristais de germânio (no experimento SuperCDMS Soudan em Minnesota) e procure por indicações de tal colisão.

"Você não pode fazer isso com axions porque eles são muito leves, "Bowring disse." Portanto, a maneira como procuramos os áxions é fundamentalmente diferente da maneira como procuramos por partículas mais massivas. "

Quando um axion encontra um forte campo magnético, deveria - pelo menos em teoria - produzir um único fóton de frequência de micro-ondas, uma partícula de luz. Ao detectar esse fóton, os cientistas devem ser capazes de confirmar a existência de axions. O experimento Axion Dark Matter (ADMX) da Universidade de Washington e o experimento HAYSTAC em Yale estão tentando fazer exatamente isso.

Esses experimentos usam um forte ímã supercondutor para converter axions em fótons em uma cavidade de micro-ondas. A cavidade pode ser ajustada para diferentes frequências de ressonância para aumentar a interação entre o campo de fótons e os áxions. Um receptor de microondas então detecta o sinal de fótons resultante da interação. O sinal é alimentado por meio de um amplificador, e os cientistas procuram esse sinal amplificado.

"Mas há um limite quântico fundamental para o quão bom um amplificador pode ser, "Bowring disse.

Os fótons são onipresentes, que introduz um alto grau de ruído que deve ser filtrado do sinal detectado na cavidade de microondas. E em frequências ressonantes mais altas, a relação sinal-ruído piora progressivamente.

Bowring e Chou estão explorando como usar a tecnologia desenvolvida para computação quântica e processamento de informações para contornar esse problema. Em vez de amplificar o sinal e separá-lo do ruído, eles visam desenvolver novos tipos de detectores de axions que contarão fótons com muita precisão - com qubits.

A vantagem qubit

Em um computador quântico, as informações são armazenadas em qubits, ou bits quânticos. Um qubit pode ser construído a partir de uma única partícula subatômica, como um elétron ou um fóton, ou de metamateriais projetados, como átomos artificiais supercondutores. O design do computador tira proveito dos sistemas quânticos de dois estados das partículas, como o spin de um elétron (para cima ou para baixo) ou a polarização de um fóton (vertical ou horizontal). E, ao contrário dos bits de computador clássicos, que têm um de apenas dois estados (um ou zero), qubits também podem existir em uma superposição quântica, uma espécie de adição dos dois estados quânticos da partícula. Esse recurso tem uma miríade de aplicações potenciais em computação quântica que os físicos estão apenas começando a explorar.

Na busca por axions, Bowring e Chou estão usando qubits. Para um detector tradicional baseado em antena notar um fóton produzido por um áxion, deve absorver o fóton, destruindo-o no processo. Um qubit, por outro lado, pode interagir com o fóton muitas vezes sem aniquilá-lo. Por causa disso, o detector baseado em qubit dará aos cientistas uma chance muito maior de detectar matéria escura.

"A razão pela qual queremos usar a tecnologia quântica é que a comunidade de computação quântica já teve que desenvolver esses dispositivos que podem manipular um único fóton de microondas, "Chou disse." Estamos fazendo a mesma coisa, exceto que um único fóton de informação armazenado dentro deste contêiner não é algo que alguém colocou lá como parte do cálculo. É algo que a matéria escura colocou lá. "

Reflexo de luz

Usar um qubit para detectar um fóton produzido por axion traz seu próprio conjunto de desafios ao projeto. Em muitos computadores quânticos, qubits são armazenados em cavidades feitas de materiais supercondutores. O supercondutor tem paredes altamente reflexivas que efetivamente prendem um fóton por tempo suficiente para realizar cálculos com ele. Mas você não pode usar um supercondutor em torno de ímãs de alta potência como os usados ​​nos experimentos de Bowring e Chou.

"O supercondutor é apenas arruinado por ímãs, "Chou disse. Atualmente, eles estão usando cobre como refletor substituto.

"Mas o problema é que nessas frequências, o cobre armazenará um único fóton por apenas 10, 000 rebatidas em vez de, dizer, um bilhão ricocheteia nos espelhos, "ele disse." Portanto, não podemos manter esses fótons por tanto tempo antes de serem absorvidos. "

E isso significa que eles não permanecem por tempo suficiente para serem captados como um sinal. Então, os pesquisadores estão desenvolvendo outro, melhor recipiente de fótons.

"Estamos tentando fazer uma cavidade com cristais de perda muito baixa, "Chou disse.

Pense em uma vidraça. Conforme a luz o atinge, alguns fótons irão ricochetear nele, e outros passarão. Coloque outro pedaço de vidro atrás do primeiro. Alguns dos fótons que passaram pelo primeiro irão refletir no segundo, e outros passarão por ambas as peças de vidro. Adicione uma terceira camada de vidro, e um quarto, e assim por diante.

"Mesmo que cada camada individual não seja tão reflexiva por si só, a soma dos reflexos de todas as camadas dá a você um reflexo muito bom no final, "Chou disse." Queremos fazer um material que retenha a luz por muito tempo.

Bowring vê o uso da tecnologia de computação quântica na busca pela matéria escura como uma oportunidade de ultrapassar as fronteiras que geralmente mantêm diferentes disciplinas separadas.

"Você pode perguntar por que o Fermilab gostaria de se envolver com a tecnologia quântica se é um laboratório de física de partículas, "disse ele." A resposta é, pelo menos em parte, que a tecnologia quântica nos permite fazer física de partículas melhor. Faz sentido diminuir essas barreiras. "