Una vía cuántica más rápida para buscar la materia oscura

Representación artística del funcionamiento interno del experimento HAYSTAC. - STEVEN BURROWS

   MADRID, 10 Feb. (EUROPA PRESS) -

   Científicos han utilizado una técnica innovadora denominada 'exprimido cuántico' para acelerar drásticamente la búsqueda de un candidato a materia oscura en el laboratorio.

   Durante casi un siglo los científicos han trabajado para desentrañar el misterio de la materia oscura, una sustancia escurridiza que se extiende por el universo y que probablemente constituye gran parte de su masa, pero que hasta ahora ha resultado imposible de detectar en los experimentos.

   Los nuevos hallazgos, publicados en la revista 'Nature', se centran en una partícula increíblemente liviana y aún no descubierta llamada axión. Según la teoría, es probable que los axiones sean miles de millones o billones de veces más pequeños que los electrones y pueden haber sido creados durante el Big Bang en cantidades enormes, lo suficiente como para explicar potencialmente la existencia de materia oscura. Pero encontrar esta partícula es un poco como buscar una sola aguja cuántica en un pajar realmente grande.

   Los investigadores de un proyecto llamado, apropiadamente, el experimento Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC) informan de que han mejorado la eficiencia de su búsqueda más allá de un obstáculo fundamental impuesto por las leyes de la termodinámica. En el equipo participan científicos del Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), un instituto de investigación conjunto de la Universidad de Colorado Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

   "Es el doble de la velocidad de lo que podíamos hacer antes", explica Kelly Backes, uno de los dos autores principales del nuevo artículo y estudiante de posgrado en la Universidad de Yale. El HAYSTAC está dirigido por Yale y es una asociación con JILA y la Universidad de California.

   El nuevo enfoque permite a los investigadores separar mejor las señales increíblemente débiles de posibles axiones del ruido aleatorio que existe a escalas extremadamente pequeñas en la naturaleza, a veces llamadas "fluctuaciones cuánticas". Las posibilidades del equipo de encontrar el axión en los próximos años son tan probables como ganar la lotería, añade el coautor del estudio Konrad Lehnert, miembro del NIST pero entienden que esas probabilidades mejorarán.

   "Una vez que tenga una forma de evitar las fluctuaciones cuánticas, su camino puede hacerse cada vez mejor", asegura Lehnert, también profesor adjunto en el Departamento de Física de la CU Boulder.

   Daniel Palken, primer autor del nuevo trabajo, explica que lo que hace que el axión sea tan difícil de encontrar es también lo que lo convierte en un candidato ideal para la materia oscura: es ligero, no lleva carga eléctrica y casi nunca interactúa con la materia normal. "No tienen ninguna de las propiedades que hacen que una partícula sea fácil de detectar", añade Palken, quien obtuvo su doctorado en JILA en 2020.

   Pero hay un lado positivo: si los axiones atraviesan un campo magnético lo suficientemente fuerte, una pequeña cantidad de ellos pueden transformarse en ondas de luz, y eso es algo que los científicos pueden detectar. Los investigadores han realizado esfuerzos para encontrar esas señales en poderosos campos magnéticos en el espacio. El experimento HAYSTAC, sin embargo, mantiene los pies en la Tierra.

   El proyecto, que publicó sus primeros hallazgos en 2017, emplea una instalación ultra fría en el campus de Yale para crear campos magnéticos fuertes y luego tratar de detectar la señal de los axiones que se convierten en luz. No es una búsqueda fácil.

   Los científicos han predicho que los axiones podrían exhibir una gama extremadamente amplia de masas teóricas, cada una de las cuales produciría una señal a una frecuencia de luz diferente en un experimento como HAYSTAC. Entonces, para encontrar la partícula real, es posible que el equipo tenga que examinar una amplia gama de posibilidades, como sintonizar una radio para encontrar una única estación débil. "Si está tratando de profundizar en estas señales realmente débiles podría terminar llevándole miles de años", señala Palken.

   Algunos de los mayores obstáculos que enfrenta el equipo son las leyes de la mecánica cuántica en sí mismas, a saber, el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que limita la precisión con que los científicos pueden observar sus partículas. En este caso, el equipo no puede medir con precisión dos propiedades diferentes de la luz producida por axiones al mismo tiempo. El equipo de HAYSTAC, sin embargo, ha encontrado una forma de esquivar esas leyes inmutables.

   El truco se reduce a utilizar una herramienta llamada amplificador paramétrico Josephson. Los científicos de JILA desarrollaron una forma de utilizar estos pequeños dispositivos para "exprimir" la luz que obtenían del experimento HAYSTAC.

   Palken explica que el equipo de HAYSTAC no necesita detectar ambas propiedades de las ondas de luz entrantes con precisión, solo una de ellas. La compresión se aprovecha de eso al cambiar las incertidumbres en las mediciones de una de esas variables a otra.

   "'Exprimir' es sólo nuestra forma de manipular el vacío mecánico cuántico para ponernos en situación de medir muy bien una variable --explica Palken--. Si intentáramos medir la otra variable, descubriríamos que tendríamos muy poca precisión".

   Para probar el método, los investigadores hicieron una prueba en Yale para buscar la partícula en un cierto rango de masas. No lo encontraron, pero el experimento llevó la mitad del tiempo que normalmente tomaría, apunta Backes.

   "Hicimos una ejecución de datos de 100 días --recuerda--. Normalmente, este documento nos hubiera tomado 200 días para completar, así que ahorramos un tercio de año, lo cual es bastante increíble".

   Lehnert agrega que el grupo está ansioso por llevar esos límites aún más lejos, ideando nuevas formas de excavar en busca de esa aguja siempre escurridiza.