Pesquisadores mostram a possibilidade de estudar matéria escura usando sensores quânticos

Cerca de 85% da matéria do Universo é chamada de matéria escura que, diferente da matéria visível, não emite luz e interage apenas gravitacionalmente. A matéria escura é observada de forma indireta como a observação em rotação de galáxias,dinâmica de aglomerados e o e lentes gravitacionais. A ausência de interação eletromagnética torna sua detecção difícil e não sabemos exatamente qual é a natureza da matéria escura, ou seja, do que ela é formada e os processos físicos microscópicos.

Há várias hipóteses sobre a natureza da matéria escura, sendo uma delas a de que a matéria escura é composta por partículas muito leves. As partículas massivas podem colidir ocasionalmente com detectores e ser observada dessa forma. Já essas partículas muito leves teriam um comportamento muito semelhante ao de ondas e não seria muito perceptível essa colisão. Esse tipo de matéria escura poderia interagir de forma sutil com campos eletromagnéticos, spins nucleares ou níveis de energia atômicos, produzindo efeitos que poderiam ser observados com instrumentos sensíveis.

Um novo trabalho propõe que sensores quânticos com alta precisão podem ser usados para detectar a velocidade e a direção dessas partículas de matéria escura leve. Alguns dispositivos como relógios atômicos, interferômetros e sensores quânticos seriam sensíveis às pequenas variações induzidas pelo fluxo de matéria escura atravessando a Terra. Com esses dispositivos seria possível estudar a matéria escura e explorar as propriedades cinemáticas da matéria escura.

Matéria escura

A matéria escura é uma componente do Universo que é observada através de seus efeitos gravitacionais em galáxias, aglomerados e a radiação cósmica de fundo. As evidências observacionais indicam que ela representa cerca de 85% da matéria total do Universo. No entanto, a sua natureza permanece desconhecida porque ela não interage, ou interage de forma extremamente fraca, com a radiação eletromagnética, tornando impossível sua detecção direta por telescópios tradicionais.

Desde que a matéria escura foi introduzida dentro do modelo padrão, há várias hipóteses para explicar a composição da matéria escura. Entre as mais estudadas estão as WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), partículas que interagem apenas pela força fraca e pela gravidade. Outras possibilidades incluem partículas leves e fracamente acopladas ou partículas ultraleves chamadas de “fuzzy dark matter”. Há ainda algumas hipóteses que consideram novas forças e interações para explicar os efeitos da matéria escura.

Distributed Quantum Sensing

O distributed quantum sensing (DQS) é uma abordagem que usa múltiplos sensores quânticos que usa emaranhamento quântico para serem conectados uns aos outros. O objetivo dessa abordagem é estimar parâmetros físicos, como campos eletromagnéticos, perturbações gravitacionais ou deslocamentos espaciais, com precisão alta. O uso de técnicas baseadas na Mecânica Quântica permite que esses sensores tenham uma precisão muito maior do que sensores tradicionais.

Geralmente, o DQS é usado em observações onde o sinal é muito fraco como, por exemplo, na detecção de ondas gravitacionais ou de alguns sinais astrofísicos. Alguns laboratórios implementam a técnica de DQS em relógios atômicos, interferômetros, magnetômetros baseados em spins ou sistemas de átomos. Com o avanço da tecnologia, mais laboratórios estão conseguindo usar o DQS para fazer observações que exigem um nível de precisão alto.

Encontrando matéria escura

Recentemente, um novo artigo foi publicado estudando a possibilidade de usar DQS para encontrar e estudar matéria escura. A ideia seria considerar múltiplos detectores como uma rede de sensores quânticos correlacionados. Esses detectores atuariam como um sistema só em vez de experimentos diferentes e ao procurar correlações quânticas entre os detectores, os dados passam a ter informação direcional. Com isso, esse processo seria capaz de extrair informações sobre sua velocidade e direção de propagação.

Abordagens anteriores utilizavam detectores alongados ou arranjos clássicos e dependiam de como é a interação entre a matéria escura e a matéria ordinária. Já o método baseado em DQS é mais geral e menos dependente de detalhes de como seria a interação entre os dois tipos de matéria. As análises no artigo mostram que essa arquitetura de sensores quânticos pode aumentar a sensibilidade experimental. Isso possibilitaria a realização de experimentos capazes de mapear propriedades cinemáticas da matéria escura leve.

Computação quântica

A estratégia proposta no artigo é muito semelhante a algumas estratégias utilizadas em computação quântica. Os princípios utilizados são o mesmo mas com objetivos diferentes sendo um com em realizar medições e o outro sendo o processamento de informação. É como se os sensores funcionassem como “qubits físicos” espacialmente separados e a medição permite extrair informação global do sistema porque esses sensores estariam correlacionados.

Com isso, a técnica de Distributed Quantum Sensing mostra que a computação quântica pode também servir como uma ferramenta. Ao aumentar a sensibilidade dos experimentos, essa nova aplicação para estudar em detalhes algo que era difícil de observar até então. Segundo os autores do artigo, a ideia é expandir a técnica para conseguir analisar também a distribuição de matéria escura no Universo local.

Referência da notícia

Fukuda et al. 2025 Directional Searching for Light Dark Matter with Quantum Sensors Physical Review Letters