Hace cuarenta años, Los científicos teorizaron un nuevo tipo de partícula de baja masa que podría resolver uno de los misterios perdurables de la naturaleza:de qué está hecha la materia oscura. Ahora ha comenzado un nuevo capítulo en la búsqueda de esa partícula.

Esta semana, el Axion Dark Matter Experiment (ADMX) dio a conocer un nuevo resultado, publicado en Cartas de revisión física , eso lo coloca en una categoría de uno:es el primer y único experimento del mundo que ha logrado la sensibilidad necesaria para "escuchar" los signos reveladores de los axiones de materia oscura. Este avance tecnológico es el resultado de más de 30 años de investigación y desarrollo, con la última pieza del rompecabezas en forma de un dispositivo con capacidad cuántica que permite que ADMX escuche los axiones más de cerca que cualquier experimento jamás construido.

ADMX es administrado por el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU. Y está ubicado en la Universidad de Washington. Este nuevo resultado, el primero de la segunda generación de ADMX, establece límites en un pequeño rango de frecuencias donde los axiones pueden estar escondidos y prepara el escenario para una búsqueda más amplia en los próximos años.

"Este resultado señala el comienzo de la verdadera búsqueda de axiones, "dijo el científico del Fermilab Andrew Sonnenschein, el gerente de operaciones de ADMX. "Si existen axiones de materia oscura dentro de la banda de frecuencia que estaremos investigando durante los próximos años, entonces es sólo cuestión de tiempo antes de que los encontremos ".

Una teoría sugiere que la materia oscura que mantiene unidas a las galaxias podría estar formada por una gran cantidad de partículas de baja masa, que son casi invisibles a la detección a medida que fluyen a través del cosmos. Los esfuerzos en la década de 1980 para encontrar esta partícula, llamado el axión por el teórico Frank Wilczek, actualmente del Instituto de Tecnología de Massachusetts, no tuvieron éxito, mostrando que su detección sería extremadamente desafiante.

ADMX es un haloscopio de axiones, esencialmente un gran, receptor de radio de bajo ruido, que los científicos sintonizan en diferentes frecuencias y escuchan para encontrar la frecuencia de la señal del axión. Los axiones casi nunca interactúan con la materia, pero con la ayuda de un fuerte campo magnético y un frío, oscuro, correctamente afinado, caja reflectante, ADMX puede "escuchar" los fotones creados cuando los axiones se convierten en ondas electromagnéticas dentro del detector.

"Si piensa en una radio AM, es exactamente así, "dijo Gray Rybka, co-portavoz de ADMX y profesor asistente en la Universidad de Washington. "Hemos construido una radio que busca una estación de radio, pero no conocemos su frecuencia. Giramos la perilla lentamente mientras escuchamos. Idealmente escucharemos un tono cuando la frecuencia sea la correcta ".

Este método de detección, que podría hacer visible el "axión invisible", fue inventado por Pierre Sikivie de la Universidad de Florida en 1983, al igual que la noción de que los halos galácticos podrían estar formados por axiones. Experimentos y análisis pioneros con la colaboración de Fermilab, la Universidad de Rochester y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. así como científicos de la Universidad de Florida, demostró la practicidad del experimento. Esto llevó a la construcción a fines de la década de 1990 de un detector a gran escala en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del Departamento de Energía de EE. UU. Que es la base del ADMX actual.

Fue solo recientemente, sin embargo, que el equipo de ADMX ha podido desplegar amplificadores cuánticos superconductores en todo su potencial, permitiendo que el experimento alcance una sensibilidad sin precedentes. Las ejecuciones anteriores de ADMX se vieron obstaculizadas por el ruido de fondo generado por la radiación térmica y la propia electrónica de la máquina.

Arreglar el ruido de la radiación térmica es fácil:un sistema de refrigeración enfría el detector a 0.1 Kelvin (aproximadamente menos 460 grados Fahrenheit). Pero eliminar el ruido de la electrónica resultó más difícil. Las primeras ejecuciones de ADMX utilizaron amplificadores de transistores estándar, pero después de conectar con John Clarke, profesor de la Universidad de California, Berkeley, Clarke desarrolló un amplificador cuántico limitado para el experimento. Esta tecnología mucho más silenciosa, combinado con la unidad de refrigeración, reduce el ruido en un nivel lo suficientemente significativo como para que la señal, si ADMX descubre uno, llegará alto y claro.

"Las versiones iniciales de este experimento, con amplificadores basados ​​en transistores, habría llevado cientos de años escanear el rango más probable de masas de axiones. Con los nuevos detectores superconductores, podemos buscar el mismo rango en escalas de tiempo de solo unos pocos años, "dijo Gianpaolo Carosi, co-portavoz de ADMX y científico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

"Este resultado planta una bandera, "dijo Leslie Rosenberg, profesor de la Universidad de Washington y científico jefe de ADMX. "Le dice al mundo que tenemos la sensibilidad, y tener una muy buena oportunidad de encontrar el axión. No se necesita nueva tecnología. Ya no necesitamos un milagro solo necesitamos el tiempo ".

ADMX ahora probará millones de frecuencias a este nivel de sensibilidad. Si se encuentran axiones, sería un descubrimiento importante que podría explicar no solo la materia oscura, pero otros misterios persistentes del universo. Si ADMX no encuentra axiones, eso puede obligar a los teóricos a idear nuevas soluciones a esos acertijos.

"Un descubrimiento podría llegar en cualquier momento durante los próximos años, ", dijo el científico Aaron Chou de Fermilab." Ha sido un largo camino para llegar a este punto, pero estamos a punto de comenzar el momento más emocionante en esta búsqueda continua de axiones ".