Investigadores de la Universidad de Tokio y la Universidad de Chuo han propuesto una estrategia para identificar la materia oscura ligera utilizando una red de sensores cuánticos distribuidos.
Este desarrollo sugiere que los sistemas que se basan en efectos mecánicos cuánticos pueden utilizarse para detectar las débiles señales asociadas a partículas sub-GeV.
La estrategia permite a los físicos rastrear tanto la velocidad como la dirección de llegada de la materia oscura, proporcionando un nuevo enfoque para la investigación en física de altas energías.
“Nuestro método no requiere configuraciones experimentales específicas y puede aplicarse a cualquier tipo de detector de materia oscura siempre que los datos de los detectores puedan obtenerse cuánticamente”, afirmaron los investigadores en un nuevo estudio.
Requerimiento de diferentes métodos de detección
La materia oscura es un tipo de materia que no emite, absorbe ni refleja la luz, lo que la hace imposible de detectar utilizando tecnologías convencionales.
Si bien su presencia se infiere a través de sus efectos gravitacionales en las galaxias, su composición exacta aún no se ha verificado.
Una teoría sugiere que la materia oscura puede consistir en partículas ligeras con masas inferiores a 1 eV, que se comportan más como ondas que como partículas distintas.
Estas características requieren diferentes métodos de detección que los utilizados para candidatos de materia oscura más pesados.
Limitaciones de los métodos actuales
El equipo de investigación buscó combinar la ingeniería cuántica con la física de partículas para mejorar los protocolos de búsqueda existentes. “Proponemos un protocolo de medición para extraer esta información de los sensores utilizando estados cuánticos”, agregaron los investigadores.
En experimentos diseñados para detectar materia oscura pesada, los científicos suelen buscar pequeñas vibraciones o señales producidas cuando las partículas chocan con átomos o núcleos en un detector.
Hajime Fukuda, primer autor del estudio, declaró a Phys.org que, si bien medir la velocidad es posible para partículas pesadas, es difícil para la materia oscura ligera porque los investigadores generalmente utilizan la excitación de modos discretos, lo que no muestra la velocidad.
Implementación de detectores espacialmente extendidos
“Descubrimos que podemos medir la velocidad de la materia oscura ligera no midiendo señales espacialmente extendidas (trayectorias de retroceso) sino midiendo mediante detectores espacialmente extendidos”, explicó Fukuda.
La estrategia introducida utiliza un protocolo de medición cuántica en varios detectores de materia oscura. En lugar de buscar señales espacialmente extendidas o trayectorias de retroceso, los investigadores descubrieron que podían medir la velocidad utilizando detectores espacialmente extendidos.
Los datos recopilados de estos sensores se tratan como datos de sensores cuánticos, lo que permite a los investigadores extraer información sobre el movimiento de la materia oscura.
Ventajas y aplicaciones futuras
Este método tiene ciertas características que lo distinguen de diseños experimentales anteriores. Es más general porque no depende del tipo detallado de interacción de partículas, a diferencia de los métodos anteriores que se basaban en detectores alargados o matrices clásicas.
Además, las evaluaciones analíticas realizadas por el equipo indican que la sensibilidad de este enfoque de matriz cuántica es mayor que las alternativas clásicas.
Los investigadores creen que este enfoque se puede refinar para su aplicación en experimentos. También podría llevar a otros físicos a explorar la detección cuántica para el estudio de diversas partículas.
“En nuestros próximos estudios, también podríamos mejorar nuestro método e intentar medir no solo la velocidad sino también la distribución de la materia oscura mediante la matriz de sensores”, concluyó Fukuda.
