Investigadores demuestran la posibilidad de estudiar la materia oscura utilizando sensores cuánticos
En un nuevo artículo, los investigadores muestran la posibilidad de estudiar la materia oscura utilizando sensores cuánticos para analizar su distribución.
Aproximadamente el 85 % de la materia del universo se denomina materia oscura, la cual, a diferencia de la materia visible, no emite luz e interactúa únicamente gravitacionalmente. La materia oscura se observa indirectamente, por ejemplo, mediante observaciones de la rotación de galaxias, la dinámica de cúmulos y el efecto de lente gravitacional. La ausencia de interacción electromagnética dificulta su detección, y desconocemos con exactitud su naturaleza, es decir, de qué está compuesta y los procesos físicos microscópicos que la componen.
Existen varias hipótesis sobre la naturaleza de la materia oscura, una de las cuales sostiene que está compuesta de partículas muy ligeras. Las partículas masivas pueden ocasionalmente colisionar con detectores y ser observadas de esta manera. Sin embargo, estas partículas muy ligeras se comportarían de forma muy similar a las ondas, y tales colisiones serían poco perceptibles. Este tipo de materia oscura podría interactuar sutilmente con campos electromagnéticos, espines nucleares o niveles de energía atómica, produciendo efectos observables con instrumentos sensibles.
Un nuevo estudio propone el uso de sensores cuánticos de alta precisión para detectar la velocidad y la dirección de estas partículas ligeras de materia oscura. Dispositivos como relojes atómicos, interferómetros y sensores cuánticos serían sensibles a las pequeñas variaciones inducidas por el flujo de materia oscura que atraviesa la Tierra. Con estos dispositivos, sería posible estudiar la materia oscura y explorar sus propiedades cinemáticas.
Materia oscura
La materia oscura es un componente del universo que se observa a través de sus efectos gravitacionales sobre galaxias, cúmulos y la radiación cósmica de fondo de microondas. La evidencia observacional indica que representa alrededor del 85 % de la materia total del universo. Sin embargo, su naturaleza sigue siendo desconocida porque no interactúa, o lo hace de forma extremadamente débil, con la radiación electromagnética, lo que imposibilita su detección directa con telescopios tradicionales.
Desde la introducción de la materia oscura en el Modelo Estándar, se han propuesto diversas hipótesis para explicar su composición. Entre las más estudiadas se encuentran las WIMPs ( Partículas Masivas de Interacción Débil), partículas que interactúan únicamente mediante la fuerza débil y la gravedad. Otras posibilidades incluyen partículas ligeras débilmente acopladas o partículas ultraligeras llamadas "materia oscura difusa". También existen hipótesis que consideran nuevas fuerzas e interacciones para explicar los efectos de la materia oscura.
Distributed Quantum Sensing
La distributed quantum sensing (DQS) es un enfoque que utiliza múltiples sensores cuánticos conectados entre sí mediante entrelazamiento cuántico. El objetivo de este enfoque es estimar parámetros físicos, como campos electromagnéticos, perturbaciones gravitacionales o desplazamientos espaciales, con alta precisión. El uso de técnicas basadas en la mecánica cuántica permite que estos sensores tengan una precisión mucho mayor que los sensores tradicionales.
Generalmente, la DQS se utiliza en observaciones donde la señal es muy débil, como en la detección de ondas gravitacionales o algunas señales astrofísicas. Algunos laboratorios implementan la técnica DQS en relojes atómicos, interferómetros, magnetómetros de espín o sistemas atómicos. Gracias a los avances tecnológicos, cada vez más laboratorios pueden utilizar la DQS para realizar observaciones que requieren un alto nivel de precisión.
En busca de materia oscura
Recientemente se publicó un nuevo artículo que estudia la posibilidad de usar DQS para encontrar y estudiar la materia oscura. La idea sería considerar múltiples detectores como una red de sensores cuánticos correlacionados. Estos detectores actuarían como un solo sistema en lugar de como experimentos diferentes, y al buscar correlaciones cuánticas entre ellos, los datos obtendrían información direccional. Este proceso podría entonces extraer información sobre la velocidad y la dirección de propagación.
Los enfoques anteriores utilizaban detectores alargados o matrices clásicas y se basaban en la interacción de la materia oscura con la materia ordinaria. Sin embargo, el método basado en DQS es más general y depende menos de los detalles de la interacción entre ambos tipos de materia. Los análisis del artículo muestran que esta arquitectura de sensor cuántico puede aumentar la sensibilidad experimental. Esto permitiría realizar experimentos capaces de mapear las propiedades cinemáticas de la materia oscura ligera.
Computación cuántica
La estrategia propuesta en el artículo es muy similar a algunas estrategias utilizadas en computación cuántica. Los principios utilizados son los mismos, pero con objetivos diferentes: uno es realizar mediciones y el otro, procesar la información. Es como si los sensores funcionaran como "cúbits físicos" separados espacialmente, y la medición permite la extracción de información global del sistema, ya que estos sensores estarían correlacionados.
Así, la técnica de Detección Cuántica Distribuida demuestra que la computación cuántica también puede servir como herramienta. Al aumentar la sensibilidad de los experimentos, esta nueva aplicación permite estudiar en detalle algo que hasta ahora era difícil de observar. Según los autores del artículo, la idea es expandir la técnica para analizar también la distribución de la materia oscura en el universo local.
Referencia de la noticia
Fukuda et al. 2025 Directional Searching for Light Dark Matter with Quantum Sensors Physical Review Letters