Un bit cuántico acelera la búsqueda de materia oscura

Investigadores del laboratorio de física de altas energías Fermilab, en Estados Unidos, han construido un bit cuántico que acelerará 1.000 veces la búsqueda de la materia oscura.

La materia oscura, que representa el 85% de toda la materia del universo, intriga a los científicos desde 1933, cuando se detectó una masa no visible que afecta a los movimientos de las estrellas y galaxias.

Sin embargo, todavía no ha sido detectada directamente, si bien numerosas observaciones realizadas en las últimas décadas han comprobado la presencia de esta masa invisible en varias partes del universo.

Aunque su existencia se considera más que probada, la búsqueda de la materia oscura se ha intensificado porque su confirmación experimental podría ser la clave para una nueva comprensión de la física y de nuestro lugar en el universo.

Bits cuánticos

Bits cuánticosEl equipo Fermilab de la Universidad de Chicago ha dado un paso significativo en esta búsqueda: ha utilizado con éxito bits cuánticos, más conocidos como cúbits, para detectar fotones generados cuando las partículas de materia oscura afectan a un campo electromagnético y se convierten en fotones.

Tal como explican los investigadores en un comunicado, hay dos tipos de partículas subatómicas en las que podría aparecer la materia oscura.

Una sería el axión (cuya existencia todavía no se ha comprobado) y otra el fotón oscuro (un bosón hipotético situado más allá del Modelo Estándar). Los cúbits desarrollados por este equipo pueden detectar las débiles señales que emiten ambas partículas.

Si realmente existen, estas partículas posiblemente interactúan con las partículas de luz (fotones) del universo visible y sería el momento de detectarlas directamente: el cúbit es capaz de almacenar el fotón resultante de la interacción y de descubrir si realmente procede de axiones o de fotones oscuros.

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Sensibilidad

SensibilidadEsta técnica hará avanzar como nunca la búsqueda la materia oscura, ya que detectará cualquier partícula invisible que se convierta en luz (fotones).

Los investigadores explican que la clave de la sensibilidad de la técnica es su capacidad para eliminar lecturas falsas positivas, ya que las técnicas convencionales de búsqueda de materia oscura destruyen los fotones que miden.

La nueva técnica, sin embargo, debido a su naturaleza cuántica, puede sondear el fotón sin destruirlo: la realización de hasta 50 mediciones repetidas del mismo fotón, en el transcurso de su vida útil de 500 microsegundos, proporciona un seguro contra lecturas erróneas, aseguran los investigadores.

Otra ventaja de la nueva técnica es que también reduce el ruido que dificulta la lectura de la señal: suprime prácticamente todo el ruido estático (el que genera el ambiente) y permite una observación nítida del fotón almacenado.

Más posibilidades

Más posibilidadesLa diferencia con el método tradicional es que, mientras este genera un fotón de ruido en cada medición, la tecnología cuántica obtiene un fotón de ruido cada mil mediciones.

La técnica es 36 veces más sensible a las partículas que el límite cuántico, un punto de referencia de las mediciones cuánticas convencionales, aseguran los científicos del Fermilab.

Eso significa que, si existen axiones, el experimento actual ofrece una posibilidad entre 10.000 de que detecte un fotón producido por una interacción con la materia oscura.

Los investigadores concluyen: «Si bien todavía hay mucho camino por recorrer, hay razones para ser optimistas» porque esta tecnología promete correr el velo que impide la observación directa de la materia oscura.

La física cuántica, una vez más, trasciende límites hasta ahora infranqueables y abre nuevos horizontes al descubrimiento de la enigmática materia oscura.

Referencia

ReferenciaSearching for Dark Matter with a Superconducting Qubit. Akash V. Dixit et al. Phys. Rev. Lett. 126, 141302 – Published 8 April 2021.

Foto superior: La imagen recoge un cúbit (rectángulo pequeño) similar al propuesto en esta investigación. Está situado sobre una superficie de zafiro, que a su vez está encima de un dedo para mostrar la escala. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab.