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 rilevatori 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, i miei colleghi del team HAYSTAC e io descriviamo come abbiamo usato un po 'di inganno quantistico per raddoppiare la velocità con cui il nostro rilevatore può cercare la materia oscura. Il nostro risultato aggiunge un aumento di velocità tanto necessario alla caccia a questa misteriosa particella.
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 di queste teorie - se ce ne sono - sia corretta, i ricercatori devono costruire diversi rilevatori per testare ciascuno di essi.
Una teoria prominente 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 di assioni, incluso HAYSTAC, funzionano in modo simile ai 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 rilevatori di assioni misurano due grandezze chiamate quadrature di campo elettromagnetico . Queste quadrature sono due tipi distinti di oscillazione nell'onda elettromagnetica che verrebbe prodotta se esistessero gli assioni.
La sfida principale nella ricerca degli assioni è che nessuno conosce la frequenza dell'onda assionica ipotetica. Immagina di trovarti in una città sconosciuta alla ricerca di una particolare stazione radio procedendo attraverso la banda FM una frequenza alla volta. I cacciatori di Axion fanno più o meno la stessa cosa: sintonizzano i loro rilevatori su un'ampia gamma di frequenze a passi discreti. Ogni fase può coprire solo una gamma molto piccola di possibili frequenze di assione. Questa piccola gamma è la larghezza di banda del rilevatore.
La sintonizzazione di una radio in genere comporta una pausa di alcuni secondi ad 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 assione, anche nei rilevatori più sensibili, sarebbe straordinariamente debole rispetto all'elettricità statica derivante da fluttuazioni elettromagnetiche casuali, che i fisici chiamano rumore. Maggiore è il rumore, più a lungo il rilevatore deve rimanere in ogni fase di sintonizzazione per ascoltare un segnale di assione.
Sfortunatamente, i ricercatori non possono contare sulla ricezione della trasmissione dell'assione dopo poche dozzine di giri del quadrante della radio. Una radio FM sintonizza solo da 88 a 108 megahertz (1 megahertz equivale a 1 milione di hertz). La frequenza degli assioni, al contrario, può essere compresa tra 300 hertz e 300 miliardi di hertz. Alla velocità con cui stanno andando i rilevatori odierni , trovare l'assione o provare che non esiste potrebbe richiedere più di 10.000 anni .
Spremere il rumore quantistico
Nel team HAYSTAC, non abbiamo quel tipo di pazienza. Quindi 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 simultaneamente i valori esatti di determinate quantità fisiche - ad esempio, non è possibile conoscere contemporaneamente sia la posizione che la quantità di moto di una particella. Ricorda che i rilevatori di assioni cercano l'assione 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 quantità minima 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 può essere controllato. Il nostro team ha escogitato un modo per mescolare il rumore quantistico nel rilevatore HAYSTAC, riducendo il suo effetto su una quadratura e aumentando il suo effetto sull'altra. Questa tecnica di manipolazione del rumore è chiamata quantum squeezing .
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 sul calcolo quantistico. I computer quantistici per uso generico rimangono molto lontani , ma il nostro nuovo articolo mostra che questa tecnologia di compressione può accelerare immediatamente la ricerca della materia oscura.
Maggiore larghezza di banda, ricerca più rapida
Il nostro team è riuscito a ridurre il rumore nel rilevatore HAYSTAC. Ma come l'abbiamo utilizzato per velocizzare la ricerca degli assioni?
La compressione quantistica non riduce il rumore in modo uniforme sulla larghezza di banda del rilevatore di assioni. Invece, ha l' effetto più grande ai bordi . Immagina di sintonizzare la tua radio su 88,3 megahertz, ma la stazione che desideri è effettivamente a 88,1. Con la compressione quantica, sarai in grado di ascoltare la tua canzone preferita in riproduzione a una stazione di distanza.
Nel mondo delle trasmissioni radiofoniche questa sarebbe una ricetta per il disastro, perché diverse stazioni interferirebbero tra loro. Ma con un solo segnale di materia oscura da cercare, una larghezza di banda più ampia consente ai fisici di cercare 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 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 compressione quantistica possano consentirci di eseguire la scansione 10 volte più velocemente.
Nessuno sa se gli assioni esistano o se risolveranno il mistero della materia oscura; ma grazie a questa inaspettata applicazione della tecnologia quantistica, siamo un passo più vicini a rispondere a queste domande.
Benjamin Brubaker è un borsista post-dottorato in fisica quantistica presso l'Università del Colorado Boulder.
Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Puoi trovare l' articolo originale qui .
