El amplificador basado en SQUID, que es aproximadamente un milímetro cuadrado, está sobreenfriado para ser sensible a las señales débiles de los axiones, en caso de que se conviertan en un fotón de microondas en el detector ADMX. Crédito:Imagen de Sean O'Kelley
Gracias a los amplificadores cuánticos superconductores de bajo ruido inventados en la Universidad de California, Berkeley, Los físicos se están embarcando ahora en la búsqueda más sensible hasta ahora de axiones, uno de los principales candidatos de la actualidad para la materia oscura.
El Axion Dark Matter Experiment (ADMX) informó resultados hoy que muestran que 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.
El hito es el resultado de más de 30 años de investigación y desarrollo, con la última pieza del rompecabezas en forma de un dispositivo cuántico que permite que ADMX escuche los axiones más de cerca que cualquier otro experimento jamás construido.
John Clarke, profesor de física en la escuela de posgrado de UC Berkeley y pionero en el desarrollo de detectores magnéticos sensibles llamados SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), desarrolló el amplificador hace dos décadas. Científicos de ADMX, con el aporte de Clarke, ahora lo han incorporado al detector ADMX en la Universidad de Washington, Seattle, y están listos para rodar.
"ADMX es una pieza de maquinaria complicada y bastante cara, así que tomó un tiempo construir un detector adecuado para que pudieran ponerle el amplificador SQUID y demostrar que funcionaba como se anunciaba. Lo que hizo, "Dijo Clarke.
El equipo de ADMX publicó hoy sus resultados en línea en la revista Cartas de revisión física .
"Este resultado señala el comienzo de la verdadera búsqueda de axiones, "dijo Andrew Sonnenschein en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en Batavia, Illinois, 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 representación en corte del detector ADMX, que puede detectar axiones que producen fotones dentro de su frío, interior oscuro. Crédito:colaboración ADMX
Materia oscura:MACHOs, ¿WIMP o axiones?
La materia oscura es el 84 por ciento que falta de materia en el universo, y los físicos han buscado extensamente muchos posibles candidatos, los objetos de halo compactos más prominentes, o MACHOs, y partículas masivas que interactúan débilmente, o WIMP. A pesar de décadas de búsqueda de MACHO y WIMP, los científicos se han puesto en marcha; pueden ver los efectos de la materia oscura en el universo, en cómo se mueven las galaxias y las estrellas dentro de las galaxias, pero no pueden ver la materia oscura en sí.
Los axiones se están convirtiendo en la alternativa preferida, en parte porque su existencia también resolvería problemas con el modelo estándar de física de partículas actual, incluyendo el hecho de que el neutrón debe tener un momento dipolar eléctrico, pero no lo hace.
Como otros candidatos de materia oscura, los axiones están en todas partes pero son difíciles de detectar. Debido a que rara vez interactúan con la materia ordinaria, fluyen por el espacio, incluso pasando por la tierra, sin "tocar" la materia ordinaria. ADMX emplea un campo magnético fuerte y un sintonizado, caja reflectante para alentar a los axiones a convertirse en fotones de frecuencia de microondas, y usa el amplificador cuántico para "escucharlos". Todo esto se hace a la temperatura más baja posible para reducir el ruido de fondo.
Clarke se enteró de un obstáculo clave para ADMX en 1994, al reunirse con la física Leslie Rosenberg, ahora profesor en la Universidad de Washington y científico jefe de ADMX, y Karl van Bibber, ahora presidente del Departamento de Ingeniería Nuclear de UC Berkeley. Debido a que la señal del axión sería muy débil, cualquier detector tendría que ser muy frío y "silencioso". Ruido del calor o radiación térmica, es fácil de eliminar enfriando el detector a 0,1 Kelvin, o aproximadamente 460 grados bajo cero Fahrenheit. Pero eliminar el ruido de los amplificadores de transistores semiconductores estándar resultó difícil.
Le preguntaron a Clarke, ¿Los amplificadores SQUID resolverían este problema?
Los amplificadores superfríos reducen el ruido al límite absoluto
Aunque había construido amplificadores SQUID que funcionaban hasta frecuencias de 100 MHz, ninguno funcionó en las frecuencias de gigahercios necesarias, así que se puso a trabajar para construir uno. Para 1998, él y sus colaboradores habían resuelto el problema, gracias en gran parte a la financiación inicial de la National Science Foundation y la financiación posterior del Departamento de Energía (DOE) a través del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Los amplificadores de ADMX fueron financiados por DOE a través de la Universidad de Washington.
Clarke y su grupo demostraron que, enfriado a temperaturas de decenas de miliKelvin por encima del cero absoluto, el Microstrip SQUID Amplifier (MSA) podría lograr un ruido cuánticamente limitado, es decir, limitado sólo por el principio de incertidumbre de Heisenberg.
"No puedes hacerlo mejor que eso, "Dijo Clarke.
Esta tecnología mucho más silenciosa, combinado con la unidad de refrigeración, redujo el ruido en un factor de aproximadamente 30 a 600 MHz de modo que una señal del axión, si hay uno, debe salir fuerte y claro. El MSA actualmente en funcionamiento en ADMX fue fabricado por Gene Hilton en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado, y probado, calibrado y empaquetado por Sean O'Kelley, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Clarke en UC Berkeley.
El equipo de ADMX planea sintonizar lentamente millones de frecuencias con la esperanza de escuchar un tono claro de los fotones producidos por la desintegración del axión.
"Este resultado planta una bandera, ", dijo Rosenberg." 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 ".
Clarke también señaló que la alta frecuencia, Los amplificadores SQUID cuánticos de bajo ruido que inventó para ADMX se han empleado desde entonces en otra área candente de la física, para leer los bits cuánticos superconductores, o qubits, para las computadoras cuánticas del futuro.
