Los físicos del MIT y otros lugares han realizado la primera ejecución de un nuevo experimento para detectar axiones, partículas hipotéticas que se prevé que se encuentren entre las partículas más ligeras del universo. Si existen, los axiones serían virtualmente invisibles, aún ineludible; podrían constituir casi el 85 por ciento de la masa del universo, en forma de materia oscura.

Los axiones son particularmente inusuales porque se espera que modifiquen las reglas de la electricidad y el magnetismo en un nivel mínimo. En un artículo publicado hoy en Cartas de revisión física , El equipo dirigido por el MIT informa que en el primer mes de observaciones, el experimento no detectó signos de axiones dentro del rango de masa de 0,31 a 8,3 nanoelectronvoltios. Esto significa que los axiones dentro de este rango de masa, que es equivalente a aproximadamente una quintillonésima parte de la masa de un protón, o no existen o tienen un efecto aún menor sobre la electricidad y el magnetismo de lo que se pensaba anteriormente.

"Esta es la primera vez que alguien mira directamente este espacio de axiones, "dice Lindley Winslow, investigador principal del experimento y profesor asistente de desarrollo de carrera Jerrold R. Zacharias de física en el MIT. "Estamos emocionados de poder decir ahora, 'Tenemos una forma de mirar aquí, ¡y sabemos cómo hacerlo mejor! '"

Los coautores del MIT de Winslow incluyen al autor principal Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zachary Bogorad, Janet Conrad, Joseph Formaggio, Joseph Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler, y Daniel Winklehner, junto con investigadores de otras ocho instituciones.

Magnetares y munchkins

Si bien se cree que están en todas partes, Se predice que los axiones son virtualmente fantasmales, teniendo solo pequeñas interacciones con cualquier otra cosa en el universo.

"Como materia oscura, no deberían afectar tu vida diaria, "Dice Winslow." Pero se cree que afectan las cosas a un nivel cosmológico, como la expansión del universo y la formación de galaxias que vemos en el cielo nocturno ".

Debido a su interacción con el electromagnetismo, Se teoriza que los axiones tienen un comportamiento sorprendente alrededor de los magnetares, un tipo de estrella de neutrones que genera un campo magnético enormemente poderoso. Si hay axiones presentes, pueden explotar el campo magnético de la magnetar para convertirse en ondas de radio, que se puede detectar con telescopios dedicados en la Tierra.

En 2016, un trío de teóricos del MIT elaboró ​​un experimento mental para detectar axiones, inspirado en el magnetar. El experimento se denominó ABRACADABRA, para un enfoque de banda ancha / resonante para la detección de axiones cósmicos con un aparato de anillo de campo B amplificador, y fue concebido por Thaler, quien es profesor asociado de física e investigador en el Laboratorio de Ciencias Nucleares y el Centro de Física Teórica, junto con Benjamin Safdi, luego un MIT Pappalardo Fellow, y el ex estudiante de posgrado Yonatan Kahn.

El equipo propuso un diseño para una pequeña imán en forma de rosquilla guardado en un refrigerador a temperaturas justo por encima del cero absoluto. Sin axiones, no debe haber campo magnético en el centro de la rosquilla, o, como dice Winslow, "donde debería estar el munchkin". Sin embargo, si existen axiones, un detector debería "ver" un campo magnético en el medio de la rosquilla

Después de que el grupo publicó su diseño teórico, Winslow, un experimentalista, se dedicó a encontrar formas de construir realmente el experimento.

"Queríamos buscar una señal de un axión donde, si lo vemos es realmente el axion, "Dice Winslow." Eso es lo elegante de este experimento. Técnicamente, si vieras este campo magnético, solo podría ser el axión, debido a la geometría particular en la que pensaron ".

En el punto dulce

Es un experimento desafiante porque la señal esperada es menos de 20 atto-Tesla. Para referencia, El campo magnético de la Tierra es de 30 micro-Tesla y las ondas cerebrales humanas son de 1 pico-Tesla. Al construir el experimento, Winslow y sus colegas tuvieron que enfrentarse a dos desafíos de diseño principales, el primero de los cuales involucró al refrigerador utilizado para mantener todo el experimento a temperaturas ultrafrías. El refrigerador incluía un sistema de bombas mecánicas cuya actividad podría generar vibraciones muy leves que a Winslow le preocupaba que pudieran enmascarar una señal de axión.

El segundo desafío tenía que ver con el ruido en el medio ambiente, como de estaciones de radio cercanas, la electrónica en todo el edificio se enciende y apaga, e incluso luces LED en las computadoras y los dispositivos electrónicos, todo lo cual podría generar campos magnéticos en competencia.

El equipo resolvió el primer problema colgando todo el artilugio, usando un hilo tan fino como el hilo dental. El segundo problema se resolvió mediante una combinación de blindaje superconductor frío y blindaje cálido alrededor del exterior del experimento.

"Entonces finalmente podríamos tomar datos, y había una región dulce en la que estábamos por encima de las vibraciones de la nevera, y por debajo del ruido ambiental que probablemente provenga de nuestros vecinos, en el que podríamos hacer el experimento ".

Los investigadores primero realizaron una serie de pruebas para confirmar que el experimento funcionaba y mostraba campos magnéticos con precisión. La prueba más importante fue la inyección de un campo magnético para simular un axión falso, y para ver que el detector del experimento produjo la señal esperada, lo que indica que si un axión real interactuó con el experimento, sería detectado. En este punto, el experimento estaba listo para comenzar.

"Si toma los datos y los ejecuta a través de un programa de audio, puedes escuchar los sonidos que hace la nevera, "Dice Winslow." También vemos otros ruidos que se encienden y apagan, de alguien de al lado haciendo algo, y luego ese ruido se va. Y cuando miramos este punto dulce, se mantiene unido entendemos cómo funciona el detector, y se vuelve lo suficientemente silencioso como para escuchar los axiones ".

Viendo el enjambre

En 2018, el equipo realizó la primera carrera de ABRACADABRA, muestreo continuo entre julio y agosto. Después de analizar los datos de este período, no encontraron evidencia de axiones dentro del rango de masa de 0.31 a 8.3 nanoelectronvoltios que cambien la electricidad y el magnetismo en más de una parte en 10 mil millones.

El experimento está diseñado para detectar axiones de masas aún más pequeñas, hasta aproximadamente 1 femtoelectronvoltio, así como axiones de hasta 1 microelectronvoltio.

El equipo continuará ejecutando el experimento actual, que es aproximadamente del tamaño de una pelota de baloncesto, para buscar axiones aún más pequeños y débiles. Mientras tanto, Winslow está en el proceso de descubrir cómo ampliar el experimento, al tamaño de un automóvil compacto, dimensiones que podrían permitir la detección de axiones aún más débiles.

"Existe una posibilidad real de un gran descubrimiento en las próximas etapas del experimento, "Dice Winslow." Lo que nos motiva es la posibilidad de ver algo que cambiaría el campo. Es de alto riesgo física de alta recompensa ".