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La búsqueda de la materia oscura está a punto de dar un gran salto y Aragón estará a la cabeza. El proyecto Dark Quantum, liderado por el Centro de Astropartículas y Física de Altas Energías

(CAPA) de la Universidad de Zaragoza, es pionero en el desarrollo de sensores cuánticos para experimentos de física de partículas. HACIENDO USO DE QUBITS SUPERCONDUCTORES, SE ESTÁ

TRABAJANDO EN UN DETECTOR DE AXIONES, partículas hipotéticas que podrían explicar el misterio de la materia oscura. Este proyecto despega precisamente en el Año Internacional de la Cuántica,

un gran comienzo. La naturaleza de la materia oscura sigue siendo UNO DE LOS GRANDES ENIGMAS DEL UNIVERSO. La hipótesis de que esté compuesta de axiones, partículas extremadamente ligeras y

esquivas, es una de las más prometedoras. El CAPA de la Universidad de Zaragoza disfruta de una larga trayectoria en experimentos de búsqueda de la materia oscura y, en particular, de

axiones. Con Dark Quantum, se colaborará con especialistas internacionales en tecnologías cuánticas para DESARROLLAR SENSORES BASADOS EN QUBITS SUPERCONDUCTORES CON SENSIBILIDAD A SEÑALES DE

ENERGÍA MÍNIMAS. Estos sensores son capaces de contar fotones de microondas (GHz) individuales, algo imposible con tecnologías convencionales. Te puede interesar El proyecto aúna

desarrollos en temas tan diversos como qubits, cavidades superconductoras, física de partículas, técnicas de bajo fondo y sistemas criogénicos. Los equipos que han permitido acceder a estas

frecuencias se basan en RECIENTES AVANCES COMO LA TECNOLOGÍA 5G O LA TECNOLOGÍA QUE HAY DETRÁS DE LOS PRIMEROS ORDENADORES CUÁNTICOS.  A pesar de que Dark Quantum está dando sus primeros

pasos, SE HAN MEDIDO POR PRIMERA VEZ EN ARAGÓN (en colaboración con el grupo QMAD del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, UZ-CSIC), LAS PROPIEDADES CUÁNTICAS DE UN QUBIT

SUPERCONDUCTOR A TEMPERATURAS PRÓXIMAS AL CERO ABSOLUTO. A lo largo de seis años, estos sensores se implementarán en instalaciones como el experimento de axiones Baby IAXO, en Hamburgo,

Alemania, y en el experimento Rades en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Dark Quantum representa un ejemplo de cómo la segunda revolución cuántica –que está detrás de la computación

cuántica o la criptografía ultrasegura– puede servir para RESOLVER GRANDES PREGUNTAS SOBRE EL UNIVERSO. Si la hipótesis del axión es correcta, la nueva generación de detectores podría

permitir, por fin, observar una forma de materia que constituye el 25% de la materia y energía del cosmos. EL PROYECTO * NOMBRE Dark Quantum (Quantum Technologies for Axion Dark Matter

Search). Es un proyecto ‘Synergy Grant’ de Consejo Europeo de Investigación, el primero de este tipo en Aragón. * ​SOCIOS Los nodos principales son el CAPA de Unizar como coordinador, además

de la École Normale Superieure de París, el Instituto Tecnológico de Kalslruhe y la Universidad de Aalto en Finlandia. Otros cuatro beneficiarios son el DESY de Hamburgo, el MPP de Múnich,

el Icmab de Barcelona y la Universidad Politécnica de Cartagena. * ​FINANCIACIÓN 12.975.660 euros (4.051.464 para el CAPA) procedentes del Consejo Europeo de Investigación, programa

Horizonte Europa. * ​DURACIÓN DEL PROYECTO Seis años, hasta 30 de septiembre de 2030. * ​MÁS INFORMACIÓN cordis.europa.eu/project/id/101118911. ¿QUÉ ES LA MATERIA OSCURA Y POR QUÉ LA

BUSCAMOS? La materia oscura es UNO DE LOS COMPONENTES MAYORITARIOS DEL UNIVERSO, unas cinco veces más abundante que la materia convencional, formada por estrellas y planetas. Se sabe de su

existencia por la atracción gravitatoria que ejerce sobre la materia visible circundante, sin embargo, no sabemos cuál es su naturaleza. Según una de las hipótesis más extendidas, estaría

compuesta de partículas masivas de interacción muy débil (WIMP, por sus siglas en inglés), que continuamente atravesarían la Tierra en grandes cantidades sin apenas interactuar con nosotros.

Esta hipótesis está detrás de la mayoría de experimentos llevados a cabo en laboratorios subterráneos como el Laboratorio de Canfranc, o muchas de las investigaciones del Gran Colisionador

de Hadrones (LHC), el famoso acelerador del CERN en Ginebra. Sin embargo, tras varias décadas de esfuerzos, los físicos de partículas siguen sin evidencia de los WIMP. ¿PODRÍA UNA PARTÍCULA

FANTASMA, EL AXIÓN, RESOLVER UNO DE LOS MAYORES ENIGMAS DEL UNIVERSO? Otra hipótesis es que la materia oscura esté compuesta por UN TIPO DISTINTO DE PARTÍCULAS: NEUTRAS, MUY LIGERAS Y QUE

INTERACCIONAN MUY DÉBILMENTE CON LA MATERIA ORDINARIA, denominadas axiones. Fueron propuestos a nivel teórico hace 45 años para resolver cuestiones de la simetría de inversión temporal en

las teorías de física de partículas (es decir, si las ecuaciones que gobiernan las partículas y su dinámica permanecen idénticas al invertir la dirección del tiempo).  Los axiones podrían

haberse producido en grandes cantidades tras el Big Bang y comportarse exactamente como la materia oscura que observamos. DEMOSTRAR LA EXISTENCIA DE LOS AXIONES ES UNO DE LOS RETOS MÁS

IMPORTANTES DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS ACTUAL. La teoría predice que, de existir, los axiones se podrían transformar en fotones (y viceversa) en el seno de campos electromagnéticos. Esta

propiedad es crucial para diseñar experimentos que intenten detectarlos.  Los axiones del halo de materia oscura en el que estaría inmersa nuestra galaxia PODRÍAN DETECTARSE SI SE CONVIERTEN

EN FOTONES en el interior de cavidades resonantes colocadas dentro de potentes imanes. Este es el principio de los ‘haloscopios de axiones’, una de las vías más prometedoras para detectar

el axión. Lamentablemente, las señales predichas por la mayoría de los modelos teóricos son demasiado débiles para las tecnologías actuales. Te puede interesar ¿PUEDE LA FÍSICA CUÁNTICA

AYUDAR A DETECTAR LO INVISIBLE? Aquí es donde entra Dark Quantum. Su objetivo: APLICAR AVANCES EN TECNOLOGÍA CUÁNTICA PARA INCREMENTAR LA SENSIBILIDAD DE LOS HALOSCOPIOS DE AXIONES,

utilizando qubits superconductores.  El qubit es LA UNIDAD BÁSICA DE INFORMACIÓN CUÁNTICA. A diferencia de un bit clásico, que vale 0 o 1, un qubit puede estar en ambos estados a la vez,

gracias a la superposición cuántica. Muchas cosas pueden ser un qubit en la naturaleza, un átomo, una molécula, un fotón, o incluso un pequeño circuito superconductor (denominado transmón).

  El haber logrado qubits artificiales como los transmones está detrás del BOOM DE LOS PRIMEROS ORDENADORES CUÁNTICOS que estamos viviendo. Estos transmones se pueden utilizar para detectar

señales extremadamente débiles, de fotones individuales, como las producidas por los axiones. Además, se emplean técnicas de medida cuántica no-destructiva de un único fotón (es decir, el

fotón no desaparece tras ser medido) que permiten medir repetidas veces el mismo estado cuántico, reduciendo la incertidumbre y alcanzando sensibilidades sin precedentes. _IGOR GARCÍA

IRASTORZA director del CAPA e IP de DarkQuantum LAURA SEGUÍ IGLESIA, DAVID DÍEZ IBAÑEZ Y YIKUN GU_ _Con la colaboración de la Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Zaragoza_ -Ir

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