Un nuevo experimento de una colaboración liderada por la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi, conocido como Experimento Reflector de Banda Ancha para Detección de Axiones o BREAD, ha publicado sus primeros resultados en la búsqueda de materia oscura en un estudio publicado en Physical Cartas de revisión . Aunque no encontraron materia oscura, redujeron las limitaciones sobre dónde podría estar y demostraron un enfoque único que puede acelerar la búsqueda de la misteriosa sustancia, en relativamente poco espacio y costo.

"Estamos muy entusiasmados con lo que hemos podido hacer hasta ahora", dijo UChicago Assoc. El profesor David Miller, codirector del experimento junto con Andrew Sonnenschein del Fermilab, quien desarrolló originalmente el concepto del experimento. "Este diseño tiene muchas ventajas prácticas y ya hemos demostrado la mejor sensibilidad hasta la fecha en esta frecuencia de 11-12 gigahercios".

"Este resultado es un hito para nuestro concepto, y demuestra por primera vez el poder de nuestro enfoque", dijo Stefan Knirck, investigador postdoctoral del Fermilab y autor principal del estudio, quien encabezó la construcción y operación del detector. "Es fantástico hacer este tipo de ciencia creativa a escala de mesa, donde un pequeño equipo puede hacer de todo, desde construir el experimento hasta el análisis de datos, pero aún así tener un gran impacto en la física de partículas moderna".

'Hay algo ahí'

Cuando miramos alrededor del universo, podemos ver que algún tipo de sustancia ejerce suficiente gravedad para atraer estrellas y galaxias y la luz que pasa, pero ningún telescopio o dispositivo ha detectado nunca directamente la fuente, de ahí el nombre de "materia oscura".

Sin embargo, como nadie ha visto nunca la materia oscura, ni siquiera sabemos exactamente cómo podría verse ni exactamente dónde buscarla. "Estamos muy seguros de que algo está ahí, pero hay muchas, muchas formas que podría adoptar", afirmó Miller.

Los científicos han trazado varias de las opciones más probables de lugares y formas para buscar. Normalmente, el enfoque ha sido construir detectores para buscar minuciosamente un área específica (en este caso, un conjunto de frecuencias) para descartarla.

Pero un equipo de científicos exploró un enfoque diferente. Su diseño es de "banda ancha", lo que significa que puede buscar un conjunto más amplio de posibilidades, aunque con un poco menos de precisión.

"Si lo piensas como una radio, la búsqueda de materia oscura es como sintonizar el dial para buscar una estación de radio en particular, excepto que hay un millón de frecuencias para verificar", dijo Miller. "Nuestro método es como hacer una exploración exhaustiva de 100.000 emisoras de radio, en lugar de unas pocas."

Una prueba de concepto

El detector BREAD busca un subconjunto específico de posibilidades. Está diseñado para buscar materia oscura en forma de lo que se conoce como "axiones" o "fotones oscuros", partículas con masas extremadamente pequeñas que podrían convertirse en un fotón visible en las circunstancias adecuadas.

Así, BREAD consiste en un tubo de metal que contiene una superficie curva que atrapa y canaliza fotones potenciales hacia un sensor en un extremo. Todo es lo suficientemente pequeño como para caber con los brazos, lo cual es inusual en este tipo de experimentos. En la versión a escala real, PAN se asentará dentro de un imán para generar un fuerte campo magnético, lo que aumenta las posibilidades de convertir partículas de materia oscura en fotones.

Sin embargo, como prueba de principio, el equipo realizó el experimento sin imanes. La colaboración ejecutó el prototipo del dispositivo en UChicago durante aproximadamente un mes y analizó los datos.

Los resultados son muy prometedores y muestran una sensibilidad muy alta en la frecuencia elegida, dijeron los científicos.

Desde los resultados publicados en Physical Review Letters fueron aceptados, BREAD se ha movido dentro de un imán de resonancia magnética reutilizado en el Laboratorio Nacional de Argonne y está tomando más datos. Su eventual sede, en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi, utilizará un imán aún más fuerte.

"Este es sólo el primer paso de una serie de emocionantes experimentos que estamos planeando", afirmó Sonnenschein. "Tenemos muchas ideas para mejorar la sensibilidad de nuestra búsqueda de axiones."

"Todavía hay muchas preguntas abiertas en la ciencia y un enorme espacio para nuevas ideas creativas para abordar esas preguntas", dijo Miller. "Creo que este es un ejemplo realmente distintivo de ese tipo de ideas creativas; en este caso, asociaciones de colaboración impactantes entre ciencia de menor escala en las universidades y ciencia de mayor escala en laboratorios nacionales".

El instrumento BREAD se construyó en Fermilab como parte del programa de investigación y desarrollo de detectores del laboratorio y luego se operó en UChicago, donde se recopilaron los datos para este estudio. Gabe Hoshino, estudiante de doctorado de UChicago, dirigió el funcionamiento del detector, junto con los estudiantes universitarios Alex Lapuente y Mira Littmann.

El Laboratorio Nacional Argonne mantiene una instalación magnética que se utilizará para la siguiente etapa del programa de física BREAD. Otras instituciones, incluido el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el Instituto de Tecnología de Illinois, el MIT, el Laboratorio de Propulsión a Chorro, la Universidad de Washington, Caltech y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, están trabajando con UChicago y Fermilab en I+D para futuras versiones del experimento.