Per quasi un secolo, gli scienziati hanno lavorato per svelare il mistero della materia oscura, una sostanza sfuggente che si diffonde nell'universo e che probabilmente costituisce gran parte della sua massa, ma finora si è dimostrato impossibile da rilevare negli esperimenti. Ora, un team di ricercatori ha utilizzato una tecnica innovativa chiamata "spremitura quantistica" per accelerare notevolmente la ricerca di un candidato per la materia oscura in laboratorio.

Le scoperte, pubblicato oggi sulla rivista Natura , centro su una particella incredibilmente leggera e ancora sconosciuta chiamata asione. Secondo la teoria, Gli assioni sono probabilmente da miliardi a trilioni di volte più piccoli degli elettroni e potrebbero essere stati creati durante il Big Bang in numero enorme, abbastanza da spiegare potenzialmente l'esistenza della materia oscura.

Trovando questa particella promettente, però, è un po' come cercare un singolo ago quantico in un grande pagliaio.

Potrebbe esserci un po' di sollievo in vista. I ricercatori di un progetto chiamato, opportunamente, l'esperimento Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) riporta che hanno migliorato l'efficienza della loro caccia oltre un ostacolo fondamentale imposto dalle leggi della termodinamica. Il gruppo comprende scienziati di JILA, un istituto di ricerca congiunto dell'Università del Colorado Boulder e del National Institute of Standards and Technology (NIST).

"È un raddoppio della velocità rispetto a quello che eravamo in grado di fare prima, "ha detto Kelly Backes, uno dei due autori principali del nuovo documento e uno studente laureato alla Yale University.

Il nuovo approccio consente ai ricercatori di separare meglio i segnali incredibilmente deboli di possibili assioni dal rumore casuale che esiste in natura su scale estremamente piccole, a volte chiamate "fluttuazioni quantistiche". Le possibilità della squadra di trovare l'assone nei prossimi anni sono ancora simili a quelle di vincere alla lotteria, ha detto il coautore dello studio Konrad Lehnert, un membro del NIST presso JILA. Ma quelle probabilità non faranno che migliorare.

"Una volta che hai un modo per aggirare le fluttuazioni quantistiche, il tuo percorso può essere reso sempre migliore, " disse Lehnert, anche professore aggiunto presso il Dipartimento di Fisica della CU Boulder.

HAYSTAC è guidato da Yale ed è una partnership con JILA e l'Università della California, Berkeley.

leggi quantistiche

Daniel Palken, il co-primo autore del nuovo articolo, ha spiegato che ciò che rende l'assone così difficile da trovare è anche ciò che lo rende un candidato ideale per la materia oscura:è leggero, non trasporta carica elettrica e non interagisce quasi mai con la materia normale.

"Non hanno nessuna delle proprietà che rendono una particella facile da rilevare, " ha detto Palken, che ha conseguito il dottorato di ricerca da JILA nel 2020

Ma c'è un lato positivo:se gli assioni passano attraverso un campo magnetico abbastanza forte, un piccolo numero di essi può trasformarsi in onde di luce, e questo è qualcosa che gli scienziati possono rilevare. I ricercatori hanno avviato sforzi per trovare quei segnali in potenti campi magnetici nello spazio. L'esperimento HAYSTAC, però, sta tenendo i piedi piantati sulla Terra.

Il progetto, che ha pubblicato i suoi primi risultati nel 2017, impiega una struttura ultra-fredda nel campus di Yale per creare forti campi magnetici, quindi prova a rilevare il segnale degli assioni che si trasformano in luce. Non è una ricerca facile. Gli scienziati hanno previsto che gli assioni potrebbero esibire una gamma estremamente ampia di masse teoriche, ognuno dei quali produrrebbe un segnale a una diversa frequenza di luce in un esperimento come HAYSTAC. Per trovare la particella reale, poi, la squadra potrebbe dover vagliare una vasta gamma di possibilità, come sintonizzare una radio per trovarne una, stazione debole.

"Se stai cercando di approfondire questi segnali davvero deboli, potrebbe finire per impiegare migliaia di anni, " ha detto Palken.

Alcuni dei maggiori ostacoli che il team deve affrontare sono le stesse leggi della meccanica quantistica, vale a dire, il principio di incertezza di Heisenberg, che limita l'accuratezza degli scienziati nelle loro osservazioni delle particelle. In questo caso, il team non può misurare con precisione due diverse proprietà della luce prodotta dagli assioni contemporaneamente.

Il team HAYSTAC, però, è atterrato su un modo per sfuggire a quelle leggi immutabili.

Incertezze mutevoli

Il trucco sta nell'usare uno strumento chiamato amplificatore parametrico Josephson. Gli scienziati di JILA hanno sviluppato un modo per utilizzare questi piccoli dispositivi per "spremere" la luce che stavano ricevendo dall'esperimento HAYSTAC.

Palken ha spiegato che il team di HAYSTAC non ha bisogno di rilevare con precisione entrambe le proprietà delle onde luminose in arrivo, ma solo una di esse. La compressione ne trae vantaggio spostando le incertezze nelle misurazioni da una di queste variabili all'altra.

"Spremere è solo il nostro modo di manipolare il vuoto quantomeccanico per metterci in grado di misurare molto bene una variabile, " ha detto Palken. "Se provassimo a misurare l'altra variabile, scopriremmo di avere pochissima precisione."

Per testare il metodo, i ricercatori hanno fatto una prova a Yale per cercare la particella su un certo intervallo di masse. non l'hanno trovata, ma l'esperimento ha richiesto la metà del tempo di solito, ha detto Backes.

"Abbiamo eseguito un'analisi dei dati di 100 giorni, " ha detto. "Normalmente, questo documento avrebbe impiegato 200 giorni per essere completato, così abbiamo risparmiato un terzo di un anno, il che è abbastanza incredibile".

Lehnert ha aggiunto che il gruppo è desideroso di spingere ancora più in là quei limiti, inventando nuovi modi per scavare per quell'ago sempre sfuggente.

"C'è molta carne nell'osso solo per far funzionare meglio l'idea, " Egli ha detto.