Gli scienziati del Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e dell'Università di Chicago hanno dimostrato una nuova tecnica basata sulla tecnologia quantistica che farà progredire la ricerca della materia oscura, la roba invisibile che rappresenta l'85% di tutta la materia nell'universo.

La collaborazione ha sviluppato versioni superconduttive di dispositivi chiamati qubit che saranno in grado di rilevare i segnali deboli emessi da due tipi di ipotetiche particelle subatomiche che potrebbero risiedere in una parte invisibile ma onnipresente dell'universo chiamata settore oscuro. Uno è chiamato un'assione, uno dei principali candidati per la materia oscura. L'altro è chiamato fotone nascosto, una particella che probabilmente interagisce con i fotoni, particelle di luce, dell'universo visibile.

La tecnica ora dimostrata dal team del Fermilab-Università di Chicago è 36 volte più sensibile alle particelle rispetto al limite quantistico, un punto di riferimento delle misurazioni quantistiche convenzionali, consentire alle ricerche di materia oscura di procedere 1, 000 volte più veloce.

Utilizzo della luce per rilevare le particelle scure

Nella tecnica, i qubit sono progettati per rilevare i fotoni che verrebbero prodotti quando le particelle di materia oscura interagiscono con un campo elettromagnetico. Il vantaggio di utilizzare i qubit come rivelatori invece della tecnologia convenzionale risiede nel modo in cui interagiscono con i fotoni.

La chiave della sensibilità della tecnica è la sua capacità di eliminare le letture false positive. Le tecniche convenzionali distruggono i fotoni che misurano. Ma la nuova tecnica può sondare il fotone senza distruggerlo. Effettuare misurazioni ripetute dello stesso fotone, nel corso della sua vita di 500 microsecondi, fornisce un'assicurazione contro letture errate.

"Per effettuare una misurazione del fotone una volta con il qubit occorrono circa 10 microsecondi, quindi possiamo effettuare circa 50 misurazioni ripetute dello stesso fotone durante la sua vita, "ha detto Akash Dixit, uno studente di dottorato in fisica presso l'Università di Chicago.

Dixit e i suoi coautori, tra cui Aaron Chou del Fermilab, descrivere la loro tecnica in Lettere di revisione fisica .

"Gli esperimenti che utilizzano tecniche convenzionali non erano affatto vicini a ciò di cui avevano bisogno per essere in grado di rilevare la materia oscura di assioni di massa più elevata, " Disse Chou. "Il livello di rumore è troppo alto."

Ci sono due modi per rendere un esperimento più sensibile ai sottili accenni di nuova fisica che gli scienziati stanno cercando. Uno è quello di aumentare il segnale realizzando rivelatori più grandi. Un altro per ridurre i livelli di rumore che nascondono i segnali target. Il team del Fermilab-Università di Chicago ha fatto quest'ultimo.

"È un modo molto più intelligente ed economico per ottenere gli stessi grandi miglioramenti nella sensibilità, "Chou ha detto. "Ora, il livello del rumore statico è stato ridotto così tanto che hai la possibilità di vedere effettivamente le prime piccole oscillazioni nelle tue misurazioni a causa del molto, segnale molto piccolo."

La tecnica andrà a beneficio della ricerca di qualsiasi candidato alla materia oscura perché, quando le particelle invisibili si convertono in fotoni, possono essere rilevati.

"Laddove il metodo convenzionale può generare un fotone di rumore con ogni misurazione, nel nostro rivelatore ottieni un fotone di rumore ogni mille misurazioni che fai, " ha detto Dixit.

Dixit e i suoi colleghi hanno adattato la loro tecnica da quella sviluppata dal fisico atomico Serge Haroche, che ha condiviso il Premio Nobel 2012 per la fisica per la sua impresa. Chou considera la nuova tecnica come parte della progressione iniziata con lo sviluppo dell'interazione di non demolizione nella fisica atomica e ora importata nel campo dei qubit superconduttori.

Scovare assioni e fotoni nascosti

I fisici hanno fatto pochi progressi nel rilevare gli assioni da quando la loro esistenza è stata proposta più di 30 anni fa.

"Sappiamo che c'è un'enorme quantità di massa intorno a noi che non è fatta della stessa materia di cui siamo fatti io e te, " Ha detto Chou. "La natura della materia oscura è un mistero davvero avvincente che molti di noi stanno cercando di risolvere".

Le cavità a microonde superconduttrici sono vitali per la nuova tecnica. La cavità utilizzata nell'esperimento è realizzata in alluminio altamente puro (99,9999%). A temperature estremamente basse, l'alluminio diventa superconduttore, una proprietà che estende la longevità dei qubit, che per loro natura sono di breve durata. La cavità superconduttiva fornisce un modo per accumulare e immagazzinare il segnale fotone. Il qubit, un'antenna inserita nella cavità, quindi misura il fotone.

"Il vantaggio che otteniamo è che, una volta che tu, o la materia oscura, metti un fotone nella cavità, è in grado di trattenere il fotone per lungo tempo, " Dixit osservò. "Più a lungo la cavità trattiene il fotone, più tempo dobbiamo fare una misurazione."

La stessa tecnica può trovare fotoni e assioni nascosti; quest'ultimo richiederà un campo magnetico elevato per essere rilevato.

Se esistono assioni, l'attuale esperimento fornisce uno su 10, 000 possibilità che rilevi un fotone prodotto da un'interazione con la materia oscura.

"Per migliorare ulteriormente la nostra capacità di percepire un evento così raro, la temperatura dei fotoni deve essere abbassata, " ha detto David Schuster, Professore associato di fisica dell'Università di Chicago e coautore del nuovo articolo. L'abbassamento della temperatura del fotone aumenterà ulteriormente la sensibilità a tutti i candidati alla materia oscura, compresi i fotoni nascosti.

I fotoni nell'esperimento sono stati raffreddati a una temperatura di circa 40 millikelvin (meno 459,60 gradi Fahrenheit), solo un tocco sopra lo zero assoluto. I ricercatori vorrebbero scendere fino alla temperatura di esercizio di 8 millikelvin (meno 459,66 gradi Fahrenheit). A questo punto, l'ambiente per la ricerca della materia oscura sarebbe immacolato, effettivamente privo di fotoni di sfondo.

"Anche se c'è sicuramente ancora molta strada da fare, c'è motivo di essere ottimisti, " ha detto Schuster, il cui gruppo di ricerca applicherà la stessa tecnologia all'informatica quantistica. "Stiamo usando la scienza dell'informazione quantistica per aiutare la ricerca sulla materia oscura, ma lo stesso tipo di fotoni di sfondo sono anche una potenziale fonte di errore per i calcoli quantistici. Quindi questa ricerca ha usi al di là della scienza fondamentale".

Schuster ha affermato che il progetto fornisce un bell'esempio del tipo di collaborazione che ha senso fare tra un laboratorio universitario e un laboratorio nazionale.

"Il nostro laboratorio universitario aveva la tecnologia qubit, ma a lungo termine da soli, non siamo stati davvero in grado di fare alcun tipo di ricerca sulla materia oscura al livello necessario. È qui che la partnership con il laboratorio nazionale gioca un ruolo importante, " Egli ha detto.

Il guadagno di questo sforzo interdisciplinare potrebbe essere enorme.

"Non c'è modo di fare questi esperimenti senza le nuove tecniche che abbiamo sviluppato, " Disse Cho.