Gli scienziati del Fermilab stanno sfruttando la tecnologia quantistica nella ricerca della materia oscura.

Per decenni, i fisici hanno cercato le cose sfuggenti, che non emette luce ma sembra costituire la stragrande maggioranza della materia nell'universo. Diverse particelle teoriche sono state proposte come candidate per la materia oscura, comprese le particelle massive debolmente interagenti (WIMP) e gli assioni.

Aaron Chou del Fermilab sta guidando un consorzio multi-istituzionale per applicare le tecniche della metrologia quantistica al problema della rilevazione della materia oscura degli assioni. Il progetto, che riunisce gli scienziati del Fermilab, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, l'Università di Chicago, Università del Colorado e Università di Yale, ha recentemente ricevuto 2,1 milioni di dollari in due anni attraverso il programma Quantum Information Science-Enabled Discovery (QuantISED) del Dipartimento dell'Energia, che cerca di far progredire la scienza attraverso tecnologie basate sui quanti.

Se gli scienziati hanno successo, la scoperta potrebbe risolvere diversi misteri cosmologici contemporaneamente.

"Sarebbe la prima volta che qualcuno trova una prova diretta dell'esistenza della materia oscura, " ha detto Daniel Bowring del Fermilab, il cui lavoro su questo sforzo è supportato da un DOE Office of Science Early Career Research Award. "Proprio adesso, stiamo deducendo l'esistenza della materia oscura dal comportamento dei corpi astrofisici. Ci sono ottime prove dell'esistenza della materia oscura basate su queste osservazioni, ma nessuno ha ancora trovato una particella."

La ricerca dell'assone

Trovare un assone risolverebbe anche una discrepanza nella fisica delle particelle chiamata problema CP forte. Particelle e antiparticelle sono "simmetriche" tra loro:mostrano un comportamento speculare in termini di carica elettrica e altre proprietà.

La forza forte – una delle quattro forze fondamentali della natura – obbedisce alla simmetria PC. Ma non c'è motivo, almeno nel Modello Standard della fisica, perché dovrebbe. L'assione è stato proposto per la prima volta per spiegare perché lo fa.

Trovare un'assione è un'impresa delicata, anche rispetto ad altre ricerche sulla materia oscura. La massa di un asione è incredibilmente bassa, da qualche parte tra un milionesimo e un millesimo di elettronvolt. A confronto, la massa di un WIMP dovrebbe essere tra un trilione e un quadrilione di volte più massiccia, nell'intervallo di un miliardo di elettronvolt, il che significa che sono abbastanza pesanti da poter occasionalmente produrre un segnale urtando i nuclei di altri atomi. Per cercare WIMP, scienziati riempiono i rilevatori di xeno liquido (ad esempio, nell'esperimento LUX-ZEPLIN sulla materia oscura al Sanford Underground Research Facility in South Dakota) o cristalli di germanio (nell'esperimento SuperCDMS Soudan in Minnesota) e cercare indicazioni di tale collisione.

"Non puoi farlo con gli assioni perché sono così leggeri, " Bowring ha detto. "Quindi il modo in cui cerchiamo gli assioni è fondamentalmente diverso dal modo in cui cerchiamo particelle più massicce".

Quando un assione incontra un forte campo magnetico, dovrebbe, almeno in teoria, produrre un singolo fotone a frequenza di microonde, una particella di luce. Rilevando quel fotone, gli scienziati dovrebbero essere in grado di confermare l'esistenza degli assioni. L'esperimento Axion Dark Matter (ADMX) presso l'Università di Washington e l'esperimento HAYSTAC a Yale stanno tentando di fare proprio questo.

Questi esperimenti utilizzano un potente magnete superconduttore per convertire gli assioni in fotoni in una cavità a microonde. La cavità può essere sintonizzata su diverse frequenze di risonanza per aumentare l'interazione tra il campo di fotoni e gli assioni. Un ricevitore a microonde rileva quindi il segnale dei fotoni risultante dall'interazione. Il segnale è alimentato da un amplificatore, e gli scienziati cercano quel segnale amplificato.

"Ma c'è un limite quantistico fondamentale a quanto può essere buono un amplificatore, " ha detto Bowring.

I fotoni sono onnipresenti, che introduce un alto grado di rumore che deve essere filtrato dal segnale rilevato nella cavità a microonde. E a frequenze di risonanza più alte, il rapporto segnale-rumore peggiora progressivamente.

Sia Bowring che Chou stanno esplorando come utilizzare la tecnologia sviluppata per il calcolo quantistico e l'elaborazione delle informazioni per aggirare questo problema. Invece di amplificare il segnale e separarlo dal rumore, mirano a sviluppare nuovi tipi di rivelatori di assioni che conteranno i fotoni in modo molto preciso, con i qubit.

Il vantaggio del qubit

In un computer quantistico, le informazioni sono memorizzate in qubit, o bit quantistici. Un qubit può essere costruito da una singola particella subatomica, come un elettrone o un fotone, o da metamateriali ingegnerizzati come atomi artificiali superconduttori. Il design del computer sfrutta i sistemi quantistici a due stati delle particelle, come lo spin di un elettrone (su o giù) o la polarizzazione di un fotone (verticale o orizzontale). E a differenza dei bit di computer classici, che hanno uno dei due soli stati (uno o zero), i qubit possono esistere anche in una sovrapposizione quantistica, una sorta di addizione dei due stati quantistici della particella. Questa funzione ha una miriade di potenziali applicazioni nell'informatica quantistica che i fisici stanno appena iniziando a esplorare.

Alla ricerca di assioni, Bowring e Chou usano i qubit. Affinché un rivelatore tradizionale basato su antenna noti un fotone prodotto da un assione, deve assorbire il fotone, distruggendolo durante il processo. un qubit, d'altra parte, può interagire con il fotone molte volte senza annientarlo. A causa di ciò, il rivelatore basato su qubit darà agli scienziati una possibilità molto più alta di individuare la materia oscura.

"Il motivo per cui vogliamo utilizzare la tecnologia quantistica è che la comunità dei computer quantistici ha già dovuto sviluppare questi dispositivi in ​​grado di manipolare un singolo fotone a microonde, " Disse Chou. "Stiamo facendo la stessa cosa, tranne che un singolo fotone di informazioni che è memorizzato all'interno di questo contenitore non è qualcosa che qualcuno ha inserito lì come parte del calcolo. È qualcosa che la materia oscura ci ha messo dentro".

Riflessione della luce

L'uso di un qubit per rilevare un fotone prodotto da assioni porta una serie di sfide al progetto. In molti computer quantistici, i qubit sono immagazzinati in cavità fatte di materiali superconduttori. Il superconduttore ha pareti altamente riflettenti che intrappolano efficacemente un fotone abbastanza a lungo da eseguire calcoli con esso. Ma non puoi usare un superconduttore attorno a magneti ad alta potenza come quelli usati negli esperimenti di Bowring e Chou.

"Il superconduttore è solo rovinato dai magneti, " ha detto Chou. Attualmente, stanno usando il rame come riflettore surrogato.

"Ma il problema è che a queste frequenze il rame memorizzerà un singolo fotone per soli 10, 000 rimbalzi invece di, dire, un miliardo di rimbalzi sugli specchi, " ha detto. "Quindi non possiamo mantenere questi fotoni in giro abbastanza a lungo prima che vengano assorbiti".

E questo significa che non rimangono abbastanza a lungo da essere captati come un segnale. Quindi i ricercatori stanno sviluppando un altro, miglior contenitore di fotoni.

"Stiamo cercando di creare una cavità con cristalli a bassissima perdita, " Disse Cho.

Pensa a una finestra. Quando la luce lo colpisce, alcuni fotoni rimbalzano su di esso, e altri passeranno. Metti un altro pezzo di vetro dietro il primo. Alcuni dei fotoni che sono passati attraverso il primo rimbalzano sul secondo, e altri passeranno attraverso entrambi i pezzi di vetro. Aggiungere un terzo strato di vetro, e un quarto, e così via.

"Anche se ogni singolo strato non è così riflettente di per sé, la somma dei riflessi di tutti gli strati ti dà un riflesso abbastanza buono alla fine, "Chou ha detto. "Vogliamo fare un materiale che intrappola la luce per molto tempo."

Bowring vede l'uso della tecnologia di calcolo quantistico nella ricerca della materia oscura come un'opportunità per superare i confini che spesso tengono separate le diverse discipline.

"Potresti chiedere perché Fermilab vorrebbe essere coinvolto nella tecnologia quantistica se si tratta di un laboratorio di fisica delle particelle, " ha detto. "La risposta è, almeno in parte, che la tecnologia quantistica ci permette di fare meglio la fisica delle particelle. Ha senso abbassare queste barriere".