Tecnología cuántica tras la pista de Materia Oscura        

Por: Robert Lea, Space.com.

04 de julio de 2024

Los experimentos se llevan a cabo a aproximadamente una milésima de grado por encima del cero absoluto en un refrigerador especial. Crédito de la imagen: Universidad de Lancaster.

Aproximadamente el 80% de la materia del Universo es oscura, es decir, no se puede ver. De hecho, la materia oscura pasa a través de nosotros constantemente, posiblemente a un ritmo de billones de partículas por segundo. Los científicos sostienen su existencia a partir de los efectos de su gravedad, pero los experimentos realizados hasta la fecha no han logrado detectarlo, para ello los científicos están desarrollando tecnología cuántica superfría para buscar la materia más esquiva y misteriosa del Universo, que actualmente constituye uno de los mayores misterios de la ciencia.

Para abordar este enigma, científicos de varias universidades del Reino Unido se han unido en equipo para construir dos de los detectores de materia oscura más sensibles jamás imaginados. Cada experimento buscará una partícula hipotética diferente que podría estar compuesta de materia oscura. Aunque tienen algunas de las mismas cualidades, las partículas también tienen algunas características radicalmente diferentes, por lo que requieren técnicas de detección diferentes.

El equipo utilizado en ambos experimentos es tan sensible que los componentes deben enfriarse a una milésima de grado por encima del cero absoluto, la temperatura teórica e inalcanzable a la que cesaría todo movimiento atómico. Este enfriamiento debe realizarse para evitar que la interferencia o el "ruido" del mundo corrompa las mediciones. “Estamos utilizando tecnologías cuánticas a temperaturas ultrabajas para construir los detectores más sensibles hasta la fecha”, dijo en un comunicado Samuli Autti, miembro del equipo de la Universidad de Lancaster.

De hecho, la única razón por la que creemos que existe la materia oscura es que esta misteriosa sustancia tiene masa, por lo que interactúa con la gravedad. La materia oscura puede influir en la dinámica de la materia ordinaria y la luz a través de esa interacción, lo que permite inferir su presencia. La astrónoma Vera Rubin descubrió la presencia de materia oscura, sobre la que había teorizado previamente el científico Fritz Zwicky, porque vio que algunas galaxias giraban tan rápido que si su única influencia gravitatoria viniera de materia bariónica visible, se desintegrarían. Sin embargo, lo que los científicos realmente quieren no es una inferencia, sino una detección positiva de partículas de materia oscura.

El objetivo planteado es observar esta misteriosa materia directamente en el laboratorio y resolver uno de los mayores enigmas de la ciencia. Existe evidencia observacional indirecta de la densidad típica de materia oscura en la galaxia, pero se desconocen la masa de las partículas constituyentes y sus posibles interacciones con los átomos ordinarios. La teoría de la física de partículas sugiere dos posibles candidatos a materia oscura: nuevas partículas con interacciones tan débiles que aún no las hemos observado y partículas muy ligeras similares a ondas llamadas axiones. El equipo está construyendo dos experimentos, uno para buscar cada una.

De los dos candidatos, las nuevas partículas con interacciones ultra débiles podrían detectarse a través de sus colisiones con materia ordinaria. Sin embargo, la posibilidad de identificar estas colisiones en un experimento depende de la masa de la materia oscura que se esté buscando. La mayoría de las búsquedas realizadas hasta ahora podrían detectar partículas de materia oscura que pesan entre cinco y mil veces más que un átomo de hidrógeno, pero es posible que se hayan pasado por alto candidatos de materia oscura mucho más ligeros.

El equipo de Tecnologías Superfluidas Mejoradas Cuánticamente para Materia Oscura y Cosmología (QUEST-DMC) tiene como objetivo alcanzar una sensibilidad líder a nivel mundial para las colisiones con candidatos de materia oscura con masas de entre 0,01 y unos pocos átomos de hidrógeno. Para lograrlo, el detector está hecho de helio-3 superfluido, enfriado a un estado cuántico macroscópico e instrumentado con amplificadores cuánticos superconductores. La combinación de estas dos tecnologías cuánticas crea la sensibilidad para medir firmas extremadamente débiles de colisiones de materia oscura.

Por el contrario, si la materia oscura está formada por axiones, estos serán extremadamente ligeros (más de mil millones de veces más ligeros que un átomo de hidrógeno), pero, en consecuencia, más abundantes. Los científicos no podrían detectar colisiones con axiones, pero sí podrían buscar otra señal: una señal eléctrica que se produce cuando los axiones se desintegran en un campo magnético.

Este efecto solo se puede medir utilizando un amplificador extremadamente sensible que funcione con la mayor precisión que permite la mecánica cuántica. Por ello, el equipo de sensores cuánticos para el sector oculto (QSHS) está desarrollando una nueva clase de amplificador cuántico que es perfectamente adecuada para buscar una señal de axión.

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