Por quase um século, os cientistas trabalharam para desvendar o mistério da matéria escura - uma substância elusiva que se espalha pelo universo e provavelmente constitui grande parte de sua massa, mas até agora provou ser impossível de detectar em experimentos. Agora, uma equipe de pesquisadores usou uma técnica inovadora chamada "compressão quântica" para acelerar drasticamente a busca por um candidato a matéria escura no laboratório.

As evidências, publicado hoje no jornal Natureza , centralizado em uma partícula incrivelmente leve e ainda não descoberta chamada axion. De acordo com a teoria, os axônios são provavelmente bilhões a trilhões de vezes menores que os elétrons e podem ter sido criados durante o Big Bang em números gigantescos - o suficiente para explicar a existência de matéria escura.

Encontrando esta partícula promissora, Contudo, é um pouco como procurar uma única agulha quântica em um palheiro realmente grande.

Pode haver algum alívio à vista. Pesquisadores em um projeto chamado, apropriadamente, o Haloscópio de Yale Sensível à Matéria Escura Fria de Axion (HAYSTAC) relata que eles melhoraram a eficiência de sua caça após um obstáculo fundamental imposto pelas leis da termodinâmica. O grupo inclui cientistas da JILA, um instituto de pesquisa conjunto da University of Colorado Boulder e do National Institute of Standards and Technology (NIST).

"É o dobro da velocidade do que podíamos fazer antes, "disse Kelly Backes, um dos dois autores principais do novo artigo e um estudante de pós-graduação na Universidade de Yale.

A nova abordagem permite que os pesquisadores separem melhor os sinais incrivelmente fracos de possíveis axions do ruído aleatório que existe em escalas extremamente pequenas na natureza, às vezes chamadas de "flutuações quânticas". As chances da equipe de encontrar o áxion nos próximos anos ainda são tão prováveis ​​quanto ganhar na loteria, disse o co-autor do estudo Konrad Lehnert, um NIST Fellow em JILA. Mas essas chances só vão melhorar.

"Assim que você tiver uma maneira de contornar as flutuações quânticas, seu caminho pode ser cada vez melhor, "disse Lehnert, também professor adjunto do Departamento de Física da CU Boulder.

HAYSTAC é liderado por Yale e é uma parceria com a JILA e a Universidade da Califórnia, Berkeley.

Leis quânticas

Daniel Palken, o co-primeiro autor do novo artigo, explicou que o que torna o áxion tão difícil de encontrar é também o que o torna um candidato ideal para matéria escura - é leve, não carrega carga elétrica e quase nunca interage com a matéria normal.

"Eles não têm nenhuma das propriedades que tornam uma partícula fácil de detectar, "disse Palken, que obteve seu Ph.D. da JILA em 2020

Mas há um lado positivo:se os axiões passarem por um campo magnético forte o suficiente, um pequeno número deles pode se transformar em ondas de luz - e isso é algo que os cientistas podem detectar. Os pesquisadores lançaram esforços para encontrar esses sinais em poderosos campos magnéticos no espaço. O experimento HAYSTAC, Contudo, está mantendo os pés plantados na Terra.

O projeto, que publicou suas primeiras descobertas em 2017, emprega uma instalação ultra-fria no campus de Yale para criar fortes campos magnéticos, em seguida, tente detectar o sinal de axions se transformando em luz. Não é uma busca fácil. Os cientistas previram que os axions podem exibir uma gama extremamente ampla de massas teóricas, cada um dos quais produziria um sinal em uma frequência de luz diferente em um experimento como HAYSTAC. Para encontrar a partícula real, então, a equipe pode ter que vasculhar uma ampla gama de possibilidades, como sintonizar um rádio para encontrar um, estação fraca.

"Se você está tentando detalhar esses sinais realmente fracos, pode acabar levando milhares de anos, "Palken disse.

Alguns dos maiores obstáculos que a equipe enfrenta são as próprias leis da mecânica quântica, ou seja, o Princípio da Incerteza de Heisenberg, o que limita o quão precisos os cientistas podem ser em suas observações de partículas. Nesse caso, a equipe não consegue medir com precisão duas propriedades diferentes da luz produzida por axions ao mesmo tempo.

A equipe HAYSTAC, Contudo, pousou em uma maneira de escapar dessas leis imutáveis.

Mudando as incertezas

O truque se resume em usar uma ferramenta chamada amplificador paramétrico Josephson. Cientistas da JILA desenvolveram uma maneira de usar esses pequenos dispositivos para "espremer" a luz que estavam recebendo do experimento HAYSTAC.

Palken explicou que a equipe HAYSTAC não precisa detectar ambas as propriedades das ondas de luz que chegam com precisão - apenas uma delas. A compressão tira vantagem disso, mudando as incertezas nas medições de uma dessas variáveis ​​para outra.

"Apertar é apenas a nossa maneira de manipular o vácuo da mecânica quântica para nos colocar em uma posição de medir muito bem uma variável, "Palken disse." Se tentássemos medir a outra variável, descobriríamos que teríamos muito pouca precisão. "

Para testar o método, os pesquisadores fizeram uma corrida experimental em Yale para procurar a partícula em um determinado intervalo de massas. Eles não encontraram, mas o experimento levou metade do tempo que normalmente levaria, Disse Backes.

"Fizemos uma execução de dados de 100 dias, "disse ela." Normalmente, este artigo teria levado 200 dias para ser concluído, então economizamos um terço do ano, o que é incrível. "

Lehnert acrescentou que o grupo está ansioso para ir ainda mais longe - inventando novas maneiras de cavar para encontrar essa agulha sempre elusiva.

"Resta muita carne no osso só para fazer a ideia funcionar melhor, " ele disse.