Los detectores cuánticos más fríos del mundo buscan materia oscura

Uno de los mayores misterios de la ciencia puede estar más cerca de resolverse.

Casi el 80% de la materia del universo es oscura, lo que significa que no se puede ver. De hecho, la materia oscura pasa constantemente a través de nosotros, quizás a un ritmo de billones de partículas por segundo.

Sabemos que existen porque podemos ver los efectos de su gravedad, pero los experimentos realizados hasta ahora no han logrado detectarlos.

Aprovechando las últimas tecnologías cuánticas, científicos de la Universidad de Lancaster, la Universidad de Oxford y la Universidad Royal Holloway de Londres están construyendo los detectores de materia oscura más sensibles hasta el momento.

Su exposición pública, Una visión cuántica del universo invisible, se exhibe en la exposición insignia de la Royal Society este año. Feria de Ciencias de Verano Hasta el 7 de julio de 2024.

Los investigadores incluyen al Dr. Michael Thompson, el profesor Edward Leread, el Dr. Dmitry Zmeev y el Dr. Samuli Otti de Lancaster, la profesora Jocelyn Munro de Oxford y el profesor Andrew Casey de RHUL.

El Dr. Otte, miembro del Consejo de Ingeniería e Investigación Física, dijo: “Estamos utilizando técnicas cuánticas a temperaturas extremadamente bajas para construir los detectores más sensibles hasta la fecha. El objetivo es observar esta misteriosa sustancia directamente en el laboratorio y resolver uno de ellos. los mayores misterios de la ciencia”.

Existe evidencia observacional indirecta que sugiere una densidad típica de materia oscura en una galaxia, pero se desconocen las masas de las partículas que la constituyen y sus posibles interacciones con los átomos ordinarios.

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La teoría de la física de partículas sugiere dos posibles candidatos para la materia oscura: nuevas partículas con interacciones tan débiles que aún no las hemos observado, y partículas muy ligeras con forma de ondas llamadas axiones. El equipo está construyendo dos experimentos, uno para buscar cada uno.

Entre los candidatos, se podrían descubrir nuevas partículas con interacciones ultradébiles mediante 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 investigando. La mayoría de las búsquedas hasta ahora han podido detectar partículas de materia oscura que son entre cinco y mil veces más pesadas que un átomo de hidrógeno, pero es posible que haya partículas de materia oscura más ligeras que quizás no hayan sido descubiertas.

Técnicas de superfluidos mejoradas cuánticamente para la materia oscura y la cosmología ((Misión-DMC) El equipo tiene como objetivo lograr una sensibilidad líder en el mundo para colisiones con candidatos a materia oscura con masas entre 0,01 y unos pocos átomos de hidrógeno. Para ello, el detector se compone de helio-3 superfluido, enfriado a un estado cuántico microscópico y equipado con amplificadores cuánticos superconductores. La combinación de estas dos técnicas cuánticas crea sensibilidad para medir firmas extremadamente débiles de colisiones de materia oscura.

Por el contrario, si la materia oscura estuviera formada por axiones, sería muy ligera (más de mil millones de veces más ligera que un átomo de hidrógeno) pero, en consecuencia, más abundante. Los científicos no podrán detectar colisiones con axiones, pero podrán buscar otra señal: una señal eléctrica producida cuando los axiones se descomponen en un campo magnético. Este efecto sólo puede medirse utilizando una lupa altamente sensible que funcione con la resolución más alta permitida por la mecánica cuántica. Por eso, el equipo de Sensores Cuánticos para el Sector Oculto (QSHS) está desarrollando una nueva clase de amplificadores cuánticos muy adecuados para buscar la señal del axión.

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El pabellón de la exposición de este año permitirá a los visitantes ver lo invisible a través de innovadoras exposiciones prácticas adecuadas para todas las edades.

Para ilustrar cómo inferimos la materia oscura a partir de la observación de galaxias, encontramos un giroscopio en una caja que se mueve de maneras sorprendentes debido al momento angular invisible. También encontraremos bolas de vidrio transparentes en líquidos, lo que demuestra cómo se pueden observar masas invisibles mediante experimentos inteligentes.

Un refrigerador de dilución luminoso demostrará cómo el equipo logra temperaturas extremadamente bajas, y un modelo de detector de colisiones de partículas de materia oscura demostrará cómo se comportaría nuestro universo si la materia oscura se comportara como materia normal.

Luego, los visitantes pueden buscar materia oscura usando un típico detector de axiones escaneando la frecuencia de un receptor de radio, y también pueden crear su propio amplificador paramétrico usando un péndulo.

El cosmólogo Carlos Frenk, miembro de la Royal Society y presidente del Comité de Participación Pública, dijo: “La ciencia es vital para ayudarnos a comprender el mundo en el que vivimos: pasado, presente y futuro. Insto a los visitantes de todas las edades a que vengan con una actitud abierta. mente, curiosidad y entusiasmo y celebrar los increíbles logros científicos que nos benefician a todos”.

La investigación en esta exposición cuenta con el apoyo del programa UKRI Quantum Technologies for Fundamental Physics.

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