Cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração Fermi do Departamento de Energia e da Universidade de Chicago demonstraram uma nova técnica baseada na tecnologia quântica que avançará na busca pela matéria escura, o material invisível que responde por 85% de toda a matéria do universo.

A colaboração desenvolveu versões supercondutoras de dispositivos chamados qubits que serão capazes de detectar os sinais fracos emitidos por dois tipos de partículas subatômicas hipotéticas que poderiam residir em uma parte invisível, mas onipresente do universo, chamada de setor escuro. Um é chamado de axion, um dos principais candidatos à matéria escura. O outro é chamado de fóton oculto, uma partícula que possivelmente interage com os fótons - partículas de luz - do universo visível.

A técnica agora demonstrada pela equipe do Fermilab-University of Chicago é 36 vezes mais sensível às partículas do que o limite quântico, uma referência de medições quânticas convencionais, permitindo pesquisas de matéria escura para prosseguir 1, 000 vezes mais rápido.

Usando luz para detectar partículas escuras

Na técnica, os qubits são projetados para detectar os fótons que seriam produzidos quando as partículas de matéria escura interagem com um campo eletromagnético. O benefício de usar qubits como detectores em vez da tecnologia convencional está na maneira como eles interagem com os fótons.

A chave para a sensibilidade da técnica é sua capacidade de eliminar leituras falso-positivas. As técnicas convencionais destroem os fótons que medem. Mas a nova técnica pode sondar o fóton sem destruí-lo. Fazendo medições repetidas do mesmo fóton, ao longo de sua vida útil de 500 microssegundos, fornece seguro contra leituras erradas.

"Para fazer uma medição do fóton uma vez com o qubit leva cerca de 10 microssegundos, então podemos fazer cerca de 50 medições repetidas do mesmo fóton durante sua vida, "disse Akash Dixit, estudante de doutorado em física na Universidade de Chicago.

Dixit e seus co-autores, incluindo Aaron Chou do Fermilab, descrever sua técnica em Cartas de revisão física .

"Os experimentos usando técnicas convencionais não estavam nem perto do que precisavam ser para sermos capazes de detectar a matéria escura dos axiões de maior massa, "Chou disse." O nível de ruído é muito alto.

Existem duas maneiras de tornar um experimento mais sensível às dicas sutis da nova física que os cientistas estão procurando. Uma é aumentar o sinal criando detectores maiores. Outro para reduzir os níveis de ruído que ocultam os sinais do alvo. A equipe Fermilab-University of Chicago fez o último.

"É uma maneira muito mais inteligente e barata de obter as mesmas grandes melhorias na sensibilidade, "Chou disse." Agora, o nível de ruído estático foi reduzido tanto que você tem a chance de realmente ver os primeiros pequenos movimentos em suas medições devido ao muito, sinal muito pequeno. "

A técnica vai beneficiar a busca de qualquer candidato a matéria escura porque, quando partículas invisíveis se convertem em fótons, eles podem ser detectados.

"Onde o método convencional pode gerar um fóton de ruído a cada medição, em nosso detector, você obtém um fóton de ruído a cada mil medições que você faz, "Dixit disse.

Dixit e seus colegas adaptaram sua técnica de uma desenvolvida pelo físico atômico Serge Haroche, que dividiu o Prêmio Nobel de Física de 2012 por sua façanha. Chou vê a nova técnica como parte da progressão que começou com o desenvolvimento da interação da não demolição na física atômica e agora é importada para o campo dos qubits supercondutores.

Descobrindo axions e fótons ocultos

Os físicos fizeram pouco progresso na detecção de áxions desde que sua existência foi proposta, há mais de 30 anos.

"Nós sabemos que há uma grande quantidade de massa ao nosso redor que não é feita da mesma coisa de que você e eu somos feitos, "Chou disse." A natureza da matéria escura é um mistério realmente atraente que muitos de nós estamos tentando resolver. "

Cavidades supercondutoras de micro-ondas são vitais para a nova técnica. A cavidade usada no experimento é feita de alumínio altamente puro - 99,9999%. Em temperaturas extremamente baixas, o alumínio se torna supercondutor, uma propriedade que estende a longevidade dos qubits, que, por sua natureza, têm vida curta. A cavidade supercondutora fornece uma maneira de acumular e armazenar o fóton sinal. O qubit, uma antena inserida na cavidade, então mede o fóton.

"O benefício que obtemos é que, uma vez que você - ou a matéria escura - coloca um fóton na cavidade, é capaz de segurar o fóton por um longo tempo, "Dixit observou." Quanto mais tempo a cavidade retém o fóton, mais tempo temos para fazer uma medição. "

A mesma técnica pode encontrar fótons e axions ocultos; o último exigirá um alto campo magnético para ser detectado.

Se axions existem, o experimento atual fornece um em 10, 000 de chance de detectar um fóton produzido por uma interação de matéria escura.

"Para melhorar ainda mais nossa capacidade de sentir um evento tão raro, a temperatura dos fótons precisa ser reduzida, "disse David Schuster, Professor associado de física da Universidade de Chicago e co-autor do novo artigo. A redução da temperatura do fóton aumentará ainda mais a sensibilidade a todos os candidatos à matéria escura, incluindo fótons ocultos.

Os fótons do experimento foram resfriados a uma temperatura de aproximadamente 40 milikelvins (menos 459,60 graus Fahrenheit), apenas um toque acima do zero absoluto. Os pesquisadores gostariam de atingir a temperatura de operação de 8 milikelvins (menos 459,66 graus Fahrenheit). Neste ponto, o ambiente para a busca de matéria escura seria imaculado, efetivamente livre de fótons de fundo.

"Embora ainda haja um longo caminho a percorrer, há razão para ser otimista, "disse Schuster, cujo grupo de pesquisa aplicará a mesma tecnologia à computação quântica. "Estamos usando a ciência da informação quântica para ajudar na pesquisa de matéria escura, mas o mesmo tipo de fótons de fundo também é uma fonte potencial de erro para cálculos quânticos. Portanto, esta pesquisa tem usos além da ciência fundamental. "

Schuster disse que o projeto fornece um bom exemplo do tipo de colaboração que faz sentido entre um laboratório universitário e um laboratório nacional.

"Nosso laboratório universitário tinha a tecnologia qubit, mas, a longo prazo, por nós mesmos, não fomos realmente capazes de fazer qualquer tipo de pesquisa de matéria escura no nível necessário. É aí que a parceria do laboratório nacional desempenha um papel importante, " ele disse.

A recompensa desse esforço interdisciplinar pode ser enorme.

"Simplesmente não há como fazer esses experimentos sem as novas técnicas que desenvolvemos, "Chou disse.