Capire come estendere la ricerca di particelle di materia oscura - la materia oscura descrive la sostanza che costituisce circa l'85 percento della massa totale dell'universo ma finora è stata misurata solo dai suoi effetti gravitazionali - è un po' come costruire un migliore trappola per topi... cioè una trappola per topi che non hai mai visto, non vedrà mai direttamente, può essere affiancato da uno strano assortimento di altri topi, o potrebbe non essere un topo, dopotutto.

Ora, attraverso un nuovo programma di ricerca sostenuto dall'Ufficio di Fisica delle Alte Energie (HEP) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, un consorzio di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE, UC Berkeley, e l'Università del Massachusetts Amherst svilupperà sensori che arruolano le proprietà apparentemente strane della fisica quantistica per sondare le particelle di materia oscura in modi nuovi, con maggiore sensibilità, e in regioni inesplorate. Maurice Garcia-Sciveres, un fisico del Berkeley Lab, sta guidando questo consorzio HEP-Quantum Information Science (QIS) di sensori quantistici.

Le tecnologie quantistiche stanno emergendo come alternative promettenti alle più convenzionali "trappole per topi" che i ricercatori hanno precedentemente utilizzato per rintracciare particelle sfuggenti. E il DOE, attraverso lo stesso ufficio HEP, sta anche supportando una raccolta di altri sforzi di ricerca guidati dagli scienziati del Berkeley Lab che attingono alla teoria quantistica, proprietà, e tecnologie in ambito QIS.

Questi sforzi includono:

• Svelare la struttura quantistica della cromodinamica quantistica nei generatori Parton Shower Monte Carlo – Questo sforzo svilupperà programmi per computer che testano le interazioni tra le particelle fondamentali in modo estremamente dettagliato. Le attuali simulazioni al computer sono limitate da algoritmi classici, sebbene gli algoritmi quantistici potrebbero modellare più accuratamente queste interazioni e potrebbero fornire un modo migliore per confrontare e comprendere gli eventi delle particelle misurati al Large Hadron Collider del CERN, il più potente collisore di particelle al mondo. Christian Bauer del Berkeley Lab, un ricercatore senior, guiderà questo sforzo.
• Quantum Pattern Recognition (QPR) per la fisica delle alte energie:acceleratori di particelle sempre più potenti richiedono algoritmi informatici molto più veloci per monitorare e ordinare miliardi di eventi di particelle al secondo, e questo sforzo svilupperà e studierà il potenziale degli algoritmi basati sulla quantistica per il riconoscimento dei modelli per ricostruire le particelle cariche. Tali algoritmi hanno il potenziale per miglioramenti significativi della velocità e una maggiore precisione. Guidato dal fisico del Berkeley Lab e membro della divisione Heather Gray, questo sforzo coinvolgerà la fisica delle alte energie e l'esperienza di calcolo ad alte prestazioni nella divisione di fisica del Berkeley Lab e presso il Centro di calcolo scientifico per la ricerca energetica nazionale del laboratorio, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, e anche all'Università di Berkeley.
• Skipper-CCD, un nuovo sensore a fotone singolo per l'imaging quantistico – Negli ultimi sei anni, Il Berkeley Lab e il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) hanno collaborato allo sviluppo di un rivelatore per esperimenti di astrofisica in grado di rilevare la più piccola unità individuale di luce, noto come fotone. Questo rivelatore Skipper-CCD è stato dimostrato con successo nell'estate del 2017 con un rumore incredibilmente basso che ha permesso di rilevare anche singoli elettroni. Come passo successivo, questo sforzo guidato dal Fermilab cercherà di immagini coppie di fotoni che esistono in uno stato di entanglement quantistico, il che significa che le loro proprietà sono intrinsecamente correlate - anche su lunghe distanze - in modo tale che la misurazione di una delle particelle definisce necessariamente le proprietà dell'altra. Steve Olanda, uno scienziato e ingegnere senior presso il Berkeley Lab, pioniere nello sviluppo di rivelatori al silicio ad alte prestazioni per una vasta gamma di usi, sta guidando la partecipazione di Berkeley Lab a questo progetto.
• Geometria e flusso di informazioni quantistiche:dalla gravità quantistica alla tecnologia quantistica:questo sforzo svilupperà algoritmi quantistici e simulazioni per proprietà, compresa la correzione degli errori e il rimescolamento delle informazioni, che sono rilevanti per le teorie dei buchi neri e per l'informatica quantistica che coinvolgono array altamente connessi di qubit superconduttori - le unità di base di un computer quantistico. I ricercatori li confronteranno anche con metodi più classici. UC Berkeley è a capo di questo programma di ricerca, e Irfan Siddiqi, uno scienziato nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e direttore fondatore del Center for Quantum Coherent Science presso l'UC Berkeley, sta guidando il coinvolgimento di Berkeley Lab.
• Siddiqi sta anche conducendo un programma di ricerca separato, Controllo quantistico basato su array di porte programmabili sul campo per simulazioni di fisica ad alta energia con Qutrit, che svilupperà strumenti specializzati e famiglie logiche per il calcolo quantistico incentrato sulla fisica delle alte energie. Questo sforzo coinvolge la divisione di tecnologia degli acceleratori e fisica applicata di Berkeley Lab.

Questi progetti fanno anche parte di Berkeley Quantum, una partnership che sfrutta le competenze e le strutture di Berkeley Lab e UC Berkeley per far progredire le capacità quantistiche degli Stati Uniti conducendo ricerche di base, fabbricare e testare dispositivi e tecnologie quantistici, ed educare la prossima generazione di ricercatori.

Anche, in molti dei suoi uffici, il DOE ha annunciato il supporto per un'ondata di altri sforzi di ricerca e sviluppo che promuoveranno l'innovazione collaborativa nella scienza dell'informazione quantistica presso il Berkeley Lab, presso altri laboratori nazionali, e presso le istituzioni partner.

Al Berkeley Lab, la più grande impresa relativa al QIS finanziata da HEP includerà un team multidisciplinare nello sviluppo e nella dimostrazione di sensori quantistici per cercare particelle di materia oscura di massa molto bassa - la cosiddetta "materia oscura leggera" - strumentando due diversi rilevatori.

Uno di questi rivelatori utilizzerà l'elio liquido a una temperatura molto bassa, dove fenomeni altrimenti familiari come il calore e la conduttività termica mostrano un comportamento quantistico. L'altro rivelatore utilizzerà cristalli appositamente fabbricati di arseniuro di gallio (vedi un articolo correlato), anche refrigerato a temperature criogeniche. Le idee su come questi esperimenti possono cercare la materia oscura molto leggera sono scaturite dal lavoro teorico del Berkeley Lab.

"C'è un sacco di territorio inesplorato nella materia oscura a bassa massa, " ha detto Natalie Roe, direttore della Divisione di Fisica al Berkeley Lab e ricercatore principale per gli sforzi quantistici relativi all'HEP del laboratorio. "Abbiamo tutti i pezzi per mettere insieme questo:in teoria, esperimenti, e rivelatori."

Garcia-Sciveres, chi sta guidando lo sforzo nell'applicare i sensori quantistici alla ricerca della materia oscura a bassa massa, ha osservato che altri importanti sforzi - come l'esperimento LUX-ZEPLIN (LZ) condotto dal Berkeley Lab che sta prendendo forma nel South Dakota - aiuteranno a scoprire se le particelle di materia oscura note come WIMP (particelle massicce a interazione debole) esistono con masse paragonabili a quello degli atomi. Ma LZ e esperimenti simili non sono progettati per rilevare particelle di materia oscura di masse molto inferiori.

"I tradizionali esperimenti sulla materia oscura WIMP non hanno ancora trovato nulla, " ha detto. "E c'è molto lavoro teorico su modelli che favoriscono particelle di massa inferiore a quella che esperimenti come LZ possono misurare, " ha aggiunto. "Questo ha motivato le persone a guardare davvero a fondo come è possibile rilevare particelle di massa molto bassa. Non è così facile. È un segnale molto piccolo che deve essere rilevato senza alcun rumore di fondo".

I ricercatori sperano di sviluppare sensori quantistici in grado di filtrare meglio il rumore dei segnali indesiderati. Mentre un esperimento WIMP tradizionale è progettato per rilevare il rinculo di un intero nucleo atomico dopo che è stato "calciato" da una particella di materia oscura, particelle di materia oscura di massa molto bassa rimbalzeranno direttamente sui nuclei senza influenzarli, come una pulce che rimbalza su un elefante.

L'obiettivo del nuovo sforzo è percepire le particelle di piccola massa attraverso il loro trasferimento di energia sotto forma di vibrazioni quantistiche molto deboli, che vanno sotto nomi come "fononi" o "rotoni, " Per esempio, disse Garcia-Sciveres.

"Non saresti mai in grado di dire che una pulce invisibile colpisce un elefante guardando l'elefante. Ma cosa succede se ogni volta che una pulce invisibile colpisce un elefante a un'estremità del branco, una pulce visibile viene lanciata via da un elefante dall'altra parte del branco?" disse.

"Potresti usare questi sensori per osservare segnali così leggeri in un cristallo molto freddo o elio superfluido, dove una particella di materia oscura in arrivo è come la pulce invisibile, e la pulce visibile in uscita è una vibrazione quantica che deve essere rilevata."

La comunità della fisica delle particelle ha tenuto alcuni seminari per raccogliere le idee sulle possibilità di rilevamento della materia oscura a bassa massa. "Questo è un nuovo regime. Questa è un'area in cui non ci sono ancora misurazioni. C'è la promessa che le tecniche QIS possono aiutarci a darci una maggiore sensibilità ai piccoli segnali che stiamo cercando, " Aggiunse Garcia-Sciveres. "Vediamo se è vero."

I rivelatori dimostrativi avranno ciascuno circa 1 centimetro cubo di materiale rivelatore. Dan McKinsey, uno scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab e professore di fisica all'Università di Berkeley, responsabile dello sviluppo del rivelatore di elio liquido, ha detto che i rilevatori saranno costruiti nel campus della UC Berkeley. Entrambi sono progettati per essere sensibili alle particelle con una massa più leggera dei protoni, le particelle cariche positivamente che risiedono nei nuclei atomici.

Il rivelatore di elio superfluido utilizzerà un processo chiamato "evaporazione quantistica, " in cui i rotoni e i fononi fanno evaporare i singoli atomi di elio dalla superficie dell'elio superfluido.

Kathryn Zurek, un fisico del Berkeley Lab e teorico pioniere nella ricerca di particelle di materia oscura di massa molto bassa che sta lavorando al progetto del sensore quantistico, ha affermato che la tecnologia per rilevare tali "sussurri" di materia oscura non esisteva solo dieci anni fa, ma "ha fatto grandi progressi negli ultimi anni". Ha anche notato, "C'era stato un discreto scetticismo su quanto sarebbe stato realistico cercare questa materia oscura di massa leggera, ma la comunità si è mossa più ampiamente in quella direzione".

Ci sono molte sinergie nelle competenze e nelle capacità che si sono sviluppate sia al Berkeley Lab che nel campus della UC Berkeley che lo rendono un buon momento – e il posto giusto – per sviluppare e applicare tecnologie quantistiche alla caccia alla materia oscura, ha detto Zurek.

Le teorie sviluppate al Berkeley Lab suggeriscono che alcuni materiali esotici mostrano stati quantistici o "modi" con cui le particelle di materia oscura di piccola massa possono accoppiarsi, il che renderebbe le particelle rilevabili, come la "pulce visibile" di cui sopra.

"Queste idee sono la motivazione per costruire questi esperimenti per cercare la materia oscura leggera, " ha detto Zurek. "Questo è un approccio ampio e multiforme, e l'idea è che sarà un trampolino di lancio per uno sforzo più grande."

Il nuovo progetto attingerà da una profonda esperienza nella costruzione di altri tipi di rivelatori di particelle, e ricerca e sviluppo in sensori ultrasensibili che operano alla soglia in cui un materiale elettricamente conduttore diventa un superconduttore, il "punto di svolta" sensibile alle minime fluttuazioni. Le versioni di questi sensori sono già utilizzate per cercare lievi variazioni di temperatura nella luce a microonde relitta che attraversa l'universo.

Al termine della manifestazione triennale, i ricercatori potrebbero forse rivolgere la loro attenzione a tipi più esotici di materiali rivelatori in volumi più grandi.

"Sono entusiasta di vedere questo programma andare avanti, e penso che diventerà una direzione di ricerca significativa nella Divisione di Fisica del Berkeley Lab, " lei disse, aggiungendo che il programma potrebbe anche dimostrare rivelatori ultrasensibili che hanno applicazioni in altri campi della scienza.