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    Ricerca della materia oscura potenziata dalla tecnologia quantistica
    I grandi ammassi di galassie contengono sia materia oscura che normale. L'immensa gravità di tutto questo materiale deforma lo spazio intorno all'ammasso, causando la distorsione e l'ingrandimento della luce proveniente dagli oggetti situati dietro l'ammasso. Questo fenomeno è chiamato lente gravitazionale. NASA/ESA

    Quasi un secolo dopo che la materia oscura fu proposta per la prima volta per spiegare il movimento degli ammassi di galassie, i fisici non hanno ancora idea di cosa sia fatto.

    I ricercatori di tutto il mondo hanno costruito dozzine di rivelatori nella speranza di scoprire la materia oscura. Come studente laureato, Ho aiutato a progettare e far funzionare uno di questi rilevatori, giustamente chiamato HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Ma nonostante decenni di sforzi sperimentali, gli scienziati devono ancora identificare la particella di materia oscura.

    Ora, la ricerca della materia oscura ha ricevuto un improbabile aiuto dalla tecnologia utilizzata nella ricerca sull'informatica quantistica. In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Nature, io e i miei colleghi del team HAYSTAC descriviamo come abbiamo usato un po' di trucchi quantistici per raddoppiare la velocità con cui il nostro rivelatore può cercare la materia oscura. Il nostro risultato aggiunge un aumento di velocità tanto necessario alla caccia di questa misteriosa particella.

    L'ex postdoc di Yale Danielle Speller, che ora è assistente professore alla Johns Hopkins University, documenta il processo di assemblaggio del rivelatore HAYSTAC. Sid Cahn

    Scansione per un segnale di materia oscura

    Esistono prove convincenti dall'astrofisica e dalla cosmologia che una sostanza sconosciuta chiamata materia oscura costituisce oltre l'80% della materia nell'universo. I fisici teorici hanno proposto dozzine di nuove particelle fondamentali che potrebbero spiegare la materia oscura. Ma per determinare quale - se ce ne sono - di queste teorie è corretta, i ricercatori devono costruire rivelatori diversi per testarli ciascuno.

    Una teoria importante propone che la materia oscura sia composta da particelle ancora ipotetiche chiamate assioni che si comportano collettivamente come un'onda invisibile che oscilla a una frequenza molto specifica attraverso il cosmo. I rilevatori Axion, incluso HAYSTAC, funzionano come i ricevitori radio, ma invece di convertire le onde radio in onde sonore, mirano a convertire le onde di assione in onde elettromagnetiche. Nello specifico, i rivelatori di assioni misurano due grandezze chiamate quadrature del campo elettromagnetico. Queste quadrature sono due distinti tipi di oscillazione nell'onda elettromagnetica che si produrrebbe se esistessero gli assioni.

    La sfida principale nella ricerca degli assioni è che nessuno conosce la frequenza dell'ipotetica onda di assioni. Immagina di trovarti in una città sconosciuta alla ricerca di una particolare stazione radio facendoti strada attraverso la banda FM una frequenza alla volta. I cacciatori di assioni fanno più o meno la stessa cosa:sintonizzano i loro rilevatori su un'ampia gamma di frequenze in passi discreti. Ogni passo può coprire solo una gamma molto piccola di possibili frequenze di assioni. Questo piccolo intervallo è la larghezza di banda del rilevatore.

    La sintonizzazione di una radio in genere comporta una pausa di alcuni secondi a ogni passaggio per vedere se hai trovato la stazione che stai cercando. È più difficile se il segnale è debole e c'è molta elettricità statica. Un segnale di assioni - anche nei rivelatori più sensibili - sarebbe straordinariamente debole rispetto a fluttuazioni elettromagnetiche statiche causate da casuali, che i fisici chiamano rumore. Più rumore c'è, più a lungo il rivelatore deve rimanere ad ogni passo di sintonizzazione per ascoltare un segnale di assioni.

    Sfortunatamente, i ricercatori non possono contare sulla ricezione della trasmissione axion dopo alcune dozzine di giri del quadrante radio. Una radio FM sintonizza solo da 88 a 108 megahertz (1 megahertz è 1 milione di hertz). La frequenza di assione, al contrario, può essere compreso tra 300 hertz e 300 miliardi di hertz. Al ritmo in cui vanno i rilevatori di oggi, trovare l'assione o dimostrare che non esiste potrebbe richiedere più di 10, 000 anni.

    Spremere il rumore quantico

    Nel team HAYSTAC, non abbiamo quel tipo di pazienza. Così nel 2012 abbiamo deciso di accelerare la ricerca degli assioni facendo tutto il possibile per ridurre il rumore. Ma nel 2017 ci siamo trovati di fronte a un limite minimo di rumore fondamentale a causa di una legge della fisica quantistica nota come principio di indeterminazione.

    Il principio di indeterminazione afferma che è impossibile conoscere contemporaneamente i valori esatti di determinate quantità fisiche, ad esempio non puoi conoscere contemporaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella. Ricordiamo che i rilevatori di assioni cercano l'assone misurando due quadrature, quei tipi specifici di oscillazioni del campo elettromagnetico. Il principio di indeterminazione vieta la conoscenza precisa di entrambe le quadrature aggiungendo una minima quantità di rumore alle oscillazioni di quadratura.

    Nei rivelatori di assioni convenzionali, il rumore quantistico del principio di indeterminazione oscura entrambe le quadrature allo stesso modo. Questo rumore non può essere eliminato, ma con gli strumenti giusti si può controllare. Il nostro team ha escogitato un modo per aggirare il rumore quantico nel rivelatore HAYSTAC, riducendo il suo effetto su una quadratura mentre aumenta il suo effetto sull'altra. Questa tecnica di manipolazione del rumore è chiamata spremitura quantistica.

    In uno sforzo guidato dagli studenti laureati Kelly Backes e Dan Palken, il team HAYSTAC ha accettato la sfida di implementare la compressione nel nostro rilevatore, utilizzando la tecnologia dei circuiti superconduttori presa in prestito dalla ricerca sull'informatica quantistica. I computer quantistici generici sono ancora molto lontani, ma il nostro nuovo articolo mostra che questa tecnologia di compressione può immediatamente accelerare la ricerca della materia oscura.

    Lo studente laureato di Yale Kelly Backes e l'ex studente laureato del Colorado Dan Palken assemblano pezzi della configurazione dello stato di compressione. Sid Cahn

    Larghezza di banda maggiore, Ricerca più veloce

    Il nostro team è riuscito a schiacciare il rumore nel rilevatore HAYSTAC. Ma come abbiamo usato questo per accelerare la ricerca degli assioni?

    La compressione quantica non riduce il rumore in modo uniforme su tutta la larghezza di banda del rivelatore di assioni. Anziché, ha l'effetto maggiore ai bordi. Immagina di sintonizzare la tua radio su 88,3 megahertz, ma la stazione che desideri è effettivamente a 88,1. Con la spremitura quantistica, saresti in grado di ascoltare la tua canzone preferita suonata a una stazione di distanza.

    Nel mondo delle trasmissioni radiofoniche questa sarebbe una ricetta per il disastro, perché diverse stazioni interferirebbero l'una con l'altra. Ma con un solo segnale di materia oscura da cercare, una larghezza di banda più ampia consente ai fisici di effettuare ricerche più velocemente coprendo più frequenze contemporaneamente. Nel nostro ultimo risultato abbiamo utilizzato la compressione per raddoppiare la larghezza di banda di HAYSTAC, permettendoci di cercare gli assioni due volte più velocemente che potevamo prima.

    La compressione quantistica da sola non è sufficiente per scansionare ogni possibile frequenza di assioni in un tempo ragionevole. Ma raddoppiare la velocità di scansione è un grande passo nella giusta direzione, e riteniamo che ulteriori miglioramenti al nostro sistema di spremitura quantistica possano consentirci di eseguire scansioni 10 volte più velocemente.

    Nessuno sa se le assioni esistono o se risolveranno il mistero della materia oscura; ma grazie a questa inaspettata applicazione della tecnologia quantistica, siamo un passo più vicini alla risposta a queste domande.

    Benjamin Brubaker è un borsista post-dottorato in fisica quantistica presso l'Università del Colorado Boulder.

    Questo articolo è ripubblicato da La conversazione sotto una licenza Creative Commons. Puoi trovare il articolo originale qui .

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