Tecnologia Científica

Procurando por matéria escura em um HAYSTAC - com alguma compressão quântica
A busca pela matéria escura - a cola invisível que une o cosmos e compõe a maior parte da massa das galáxias - é um pouco como procurar uma agulha em um palheiro quase infinito.
Por Jim Shelton - 16/02/2021


A ex-pós-doutoranda em Yale Danielle Speller, que agora é professora assistente na Universidade Johns Hopkins, documenta o processo de montagem do detector. (Crédito: Sid Cahn)

A busca pela matéria escura - a cola invisível que une o cosmos e compõe a maior parte da massa das galáxias - é um pouco como procurar uma agulha em um palheiro quase infinito.

Por um lado, os cientistas não sabem exatamente o que é matéria escura. Eles só são capazes de inferir sua existência com base na atração gravitacional que exerce sobre a matéria visível.

Identificar a matéria escura, no entanto, forneceria insights importantes para a compreensão de uma força fundamental do universo invisível. Os candidatos potenciais para a identidade da matéria escura variam de neutrinos estéreis e partículas massivas de interação fraca (WIMPs) a axions, partículas hipotéticas que se pensa equilibrar uma simetria misteriosa no universo.

Por mais de uma década, uma equipe de cientistas liderada por Yale usou um HAYSTAC - o  haloscópio de Yale sensível ao axion CDM  - para caçar áxions. Novas descobertas, demonstradas em um estudo na revista Nature , mostram que a equipe melhorou a sensibilidade do detector para que a busca pelo áxion possa prosseguir em um ritmo mais rápido.

HAYSTAC - que é uma colaboração entre Yale, a University of California-Berkeley e a University of Colorado-Boulder - foi iniciado em 2010, com os primeiros resultados publicados em 2017.

“ Ao longo dos anos que se seguiram, houve desenvolvimentos empolgantes em tecnologias de detecção aprimorada quântica”, disse Steve Lamoreaux, professor de física de Yale e investigador principal do HAYSTAC. “Para tirar proveito dessas novas técnicas de instrumentação, reconstruímos o detector a partir de 2018 e o detector aprimorado foi colocado online novamente um ano depois.”

Baseado no Laboratório Wright de Yale  , HAYSTAC usa uma cavidade de micro-ondas mantida a uma temperatura extremamente fria e imersa em um grande campo magnético para procurar axions de matéria escura fria (CDM). HAYSTAC procura sinais de fótons (fótons são partículas de luz ou radiação eletromagnética) produzidos por axions em um campo magnético.

“O espaço de parâmetros do Axion é vasto”, disse a primeira autora do estudo, a estudante de graduação de Yale Kelly Backes. “Pesquisá-lo experimentalmente vai levar muito tempo e muito esforço, e a taxa com que podemos pesquisar é fundamentalmente limitada pelas leis da mecânica quântica.”

Por esse motivo, os cientistas recorreram a uma técnica conhecida como “compressão quântica”, que é emprestada da pesquisa da física quântica. Os cientistas do HAYSTAC disseram que esse "aperto" reduz a quantidade de "ruído" quântico com o qual o sinal do axion deve competir, acelerando a busca.

“ Estabelecemos limites para os axions da matéria escura e descartamos um subconjunto de modelos de axions previstos”, disse Reina Maruyama, professora associada de física em Yale, coautora do estudo e uma das líderes do experimento HAYSTAC.

Duas pessoas trabalhando em equipamentos científicos.
A estudante de graduação de Yale Kelly Backes e o ex-estudante de graduação do
Colorado Dan Palken montam peças da configuração do estado squeeze.
(Crédito: Sid Cahn)

“ As descobertas deste artigo demonstram que, por meio do uso de técnicas de medição quântica, é possível pesquisar o áxion muito mais rapidamente do que a taxa limitada quântica”, disse Backes. “As ferramentas usadas em nossa configuração de compressão quântica foram inicialmente desenvolvidas para uso em laboratórios de computação quântica. O fato de que eles também podem melhorar a detecção de axions destaca o que é possível quando dois campos da física, neste caso detecção de matéria escura e informação quântica, se juntam. ”

Maruyama observou que HAYSTAC, junto com o experimento de ondas gravitacionais LIGO, são os únicos experimentos de física fundamentais que trabalham com níveis de ruído baixos o suficiente para empregar compressão quântica.

Outros coautores de Yale foram o cientista pesquisador Sid Cahn, a estudante de graduação Sumita Ghosh e os estudantes de graduação Sukhman Singh e Jean Wang. A ex-pós-doutoranda em Yale Danielle Speller, que agora é professora assistente na Universidade Johns Hopkins; Benjamin Brubaker, ex-aluno de pós-graduação de Yale, que agora é pós-doutorando na Universidade de Colorado-Boulder; e o ex-aluno de graduação em Yale Cady van Assendelft, que agora é aluno de graduação em Stanford, também são coautores.

A pesquisa foi financiada, em parte, pela National Science Foundation e pela Heising-Simons Foundation.

 

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