A busca pela matéria escura - a cola invisível que une o cosmos e compaµe a maior parte da massa das gala¡xias - éum pouco como procurar uma agulha em um palheiro quase infinito.

Por um lado, os cientistas não sabem exatamente o que ématéria escura. Eles são são capazes de inferir sua existaªncia 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 estanãreis epartículas massivas de interação fraca (WIMPs) a axions,partículas hipotanãticas 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  halosca³pio de Yalesensívelao axion CDM  - para caçar a¡xions. Novas descobertas, demonstradas em um estudo na revista Nature , mostram que a equipe melhorou a sensibilidade do detector para que a busca pelo a¡xion possa prosseguir em um ritmo mais rápido.

HAYSTAC - que éuma 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 qua¢ntica”, disse Steve Lamoreaux, professor de física de Yale e investigador principal do HAYSTAC. “Para tirar proveito dessas novas técnicas de instrumentação, reconstrua­mos o detector a partir de 2018 e o detector aprimorado foi colocado online novamente um ano depois.”

Baseado no Laborata³rio 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 fa³tons (fa³tons sãopartículas de luz ou radiação eletromagnanãtica) produzidos por axions em um campo magnanãtico.

“O espaço de parametros do Axion évasto”, disse a primeira autora do estudo, a estudante de graduação de Yale Kelly Backes. “Pesquisa¡-lo experimentalmente vai levar muito tempo e muito esfora§o, e a taxa com que podemos pesquisar éfundamentalmente limitada pelas leis da meca¢nica qua¢ntica.”

Por esse motivo, os cientistas recorreram a uma técnica conhecida como “compressão qua¢ntica”, que éemprestada da pesquisa da física qua¢ntica. Os cientistas do HAYSTAC disseram que esse "aperto" reduz a quantidade de "rua­do" qua¢ntico 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 lideres do experimento HAYSTAC.

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

Maruyama observou que HAYSTAC, junto com o experimento de ondas gravitacionais LIGO, são os aºnicos experimentos de física fundamentais que trabalham com na­veis de rua­do baixos o suficiente para empregar compressão qua¢ntica.

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-pa³s-doutoranda em Yale Danielle Speller, que agora éprofessora assistente na Universidade Johns Hopkins; Benjamin Brubaker, ex-aluno de pós-graduação de Yale, que agora épa³s-doutorando na Universidade de Colorado-Boulder; e o ex-aluno de graduação em Yale Cady van Assendelft, que agora éaluno de graduação em Stanford, também são coautores.