La materia oscura es un tipo de materia elusiva que no emite, absorbe ni refleja la luz, e interactúa muy débilmente con la materia ordinaria. Estas características hacen imposible su detección mediante las tecnologías convencionales que utilizan los físicos para estudiar partículas de materia.
Como nunca antes se había observado, la composición exacta de la materia oscura sigue siendo desconocida. Una teoría propuesta es que este tipo de materia elusiva está compuesta por partículas ligeras con masas muy pequeñas, inferiores a 1 eV (electronvoltio), que se comportan más como ondas que como partículas.
Investigadores de la Universidad de Tokio y la Universidad de Chuo exploraron recientemente la posibilidad de buscar materia oscura sub-GeV utilizando sensores cuánticos, sistemas avanzados que se basan en efectos de la mecánica cuántica para detectar señales extremadamente débiles.
Su artículo, publicado en Physical Review Letters, destaca el potencial de estos sistemas de detección de alta sensibilidad para rastrear la velocidad y la dirección de la materia oscura ligera.
«Estaba revisando artículos recientes en la categoría de física cuántica en arXiv y descubrí que la detección cuántica distribuida se ha convertido en un tema de gran interés», declaró Hajime Fukuda, primer autor del artículo, a Phys.org.
«Nos preguntábamos entonces si podíamos utilizar esta tecnología en nuestro campo (es decir, la física de altas energías) y se nos ocurrió la idea de usarla para la detección de materia oscura».
Medición de la velocidad y la dirección de la materia oscura
El reciente estudio de Fukuda y sus colegas tenía como objetivo combinar los últimos avances en ingeniería cuántica con la física de partículas, específicamente para mejorar las búsquedas actuales de materia oscura. Para buscar hipotéticas partículas pesadas de materia oscura, hasta ahora los físicos han intentado principalmente captar pequeñas vibraciones o señales que surgirían si estas partículas colisionaran con materiales, átomos o núcleos específicos dentro de detectores de materia oscura.
«Al emplear estos enfoques, es sencillo medir la velocidad de la materia oscura, aunque experimentalmente esto es, por supuesto, difícil», afirmó Fukuda.
Sin embargo, para la materia oscura ligera, solemos utilizar la excitación de algún modo discreto, por lo que no es posible visualizar la velocidad. Descubrimos que podemos medir la velocidad de la materia oscura ligera no midiendo señales espacialmente extendidas (trazas de retroceso), sino midiendo mediante detectores espacialmente extendidos.
En su artículo, los investigadores introdujeron una estrategia completamente nueva que podría utilizarse para medir la velocidad de la materia oscura y su dirección de procedencia. Esta estrategia implica el uso de varios detectores de materia oscura y un protocolo de medición cuántica.
Los datos recopilados por estos detectores se tratarían como datos de sensores cuánticos, de los cuales los investigadores podrían extraer información sobre la velocidad y la dirección de la materia oscura. Fukuda y sus colegas realizaron una serie de análisis para evaluar el potencial de su enfoque y descubrieron que mejoraría significativamente la sensibilidad de los detectores.
«Trabajos anteriores introdujeron otros métodos para buscar materia oscura ligera, que, por ejemplo, se basaban en un detector alargado o en un conjunto clásico de detectores», explicó Fukuda. Sin embargo, estos métodos dependen del tipo de interacción en detalle, mientras que el nuestro se basa en un conjunto de sensores cuánticos y es mucho más general. Además, la sensibilidad que alcanza es mayor.
Una nueva ruta para futuras búsquedas de materia oscura
El nuevo enfoque para la búsqueda de materia oscura ligera, introducido por este equipo de investigación, podría perfeccionarse pronto y aplicarse en experimentos reales. Este reciente estudio también podría inspirar a otros físicos de partículas y de altas energías a explorar el potencial de los sistemas de detección cuántica, tanto para la búsqueda de materia oscura como para el estudio preciso de otras partículas.
«Demostramos que los métodos cuánticos podrían desempeñar un papel importante en la física de altas energías», añadió Fukuda.
«Creo que podría haber otras aplicaciones para los sensores cuánticos en nuestro campo y me entusiasma seguir explorando esta posibilidad. 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 el conjunto de sensores».
Con información de Physical Review Letters (2025).
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