ADMX, con su sensibilidad líder en el mundo, ha descartado axiones de cierto rango de masa como materia oscura.

Los axiones son un candidato hipotético para la materia oscura que constituye la mayor parte de la masa de nuestra galaxia, la Vía Láctea. El experimento Axion Dark Matter busca axiones "invisibles" provenientes de nuestra galaxia que se convierten en partículas detectables de luz. llamados fotones, dentro del poderoso campo magnético del experimento.

"Cuando busca una nueva partícula como un axión, está explorando interacciones que dan como resultado partículas conocidas, como fotones, "dijo Rakshya Khatiwada, Investigador asociado de Fermilab que ha liderado el desarrollo del detector de bajo ruido para ADMX durante los últimos cuatro años.

Fermilab es el laboratorio principal del DOE para ADMX, que está alojado en la Universidad de Washington. Fermilab está financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.

Dentro de ADMX, un imán superconductor genera un campo magnético que convertiría axiones indetectables en fotones. Dentro de ese campo se encuentra un detector que se puede sintonizar a diferentes frecuencias correspondientes a señales de axiones de diferentes masas provenientes del halo de materia oscura en la Vía Láctea, similar a cómo una radio sintoniza una estación de radio.

Si pudieras estirar una regla de un extremo a otro de la Vía Láctea visible, mediría alrededor de 100, 000 años luz de diámetro, lo que significa que la luz, la cosa más rápida del universo, necesitaría tantos años para viajar de un extremo al otro. Para tener perspectiva la luz tarda solo ocho minutos en viajar desde el sol hasta la Tierra.

Pero el tamaño real de nuestra galaxia podría ser incluso mayor que eso.

Los científicos creen que una nube esférica de materia oscura, un halo de materia oscura, encierra casi todas las galaxias. Esta materia oscura galáctica sería más densa en el centro de la galaxia, con densidad decreciente a medida que uno se mueve hacia afuera. La Tierra tiene unos 25, 000 años luz del centro de la Vía Láctea, para que los físicos puedan predecir cuál debería ser la densidad local de la materia oscura.

La existencia de materia oscura se propuso por primera vez en 1933 basándose en el movimiento del cúmulo de galaxias Coma. El científico Fritz Zwicky calculó que, dada la forma en que se movían las galaxias cercanas al borde del cúmulo, el cúmulo debería haber tenido mucha más masa de la que se había observado. Para explicar la aparente falta de masa suficiente, propuso que alguna materia adicional, la materia oscura, debe estar en funcionamiento. La evidencia de la materia oscura se ha acumulado desde entonces, pero los científicos aún tienen que detectar directamente los componentes básicos de esta materia invisible en el laboratorio.

El desafío de encontrar materia oscura es que rara vez interactúa con la materia ordinaria. Para comparacion, tomemos el neutrino, una partícula conocida que alguna vez se pensó que era candidata para la materia oscura. Los neutrinos son famosos por sus interacciones muy débiles:alrededor de 100 mil millones pasan por la punta del pulgar cada segundo. Te atraviesan sin ti o tu cuerpo, nunca darse cuenta. Y todavía, los científicos descubrieron cómo construir experimentos para detectar neutrinos. El hecho de que todavía no hayamos detectado materia oscura significa que sus interacciones son aún más débiles y que necesitamos experimentos aún más sensibles para detectarlas.

Si se encuentra, Los axiones también resolverían otro enigma de la física:el fuerte problema de paridad de carga.

En 1977, Los físicos Helen Quinn y Roberto Peccei propusieron un nuevo modelo para explicar por qué las interacciones fuertes no violan la simetría de paridad de carga (CP). Poco después, Otros dos físicos (y más tarde ganadores del Premio Nobel) Frank Wilczek y Steven Weinberg se dieron cuenta de que el modelo de Peccei y Quinn predecía la existencia de una nueva partícula, el axion, y más tarde se supo que los axiones podrían ser la materia oscura. El fuerte problema de la PC es complejo, pero esencialmente tiene el mismo problema que tiene la astrofísica sin materia oscura:teoría y observación, relativo al modelo estándar de física, no coinciden. Al igual que con la materia oscura, Este enigma significa que hay algo que los científicos aún tienen que comprender completamente sobre la naturaleza.

El potencial para responder a dos grandes preguntas de la física a la vez hace que los axiones sean partículas populares para buscar.

En 2017, ADMX operó con la mayor sensibilidad de cualquier experimento de axiones hasta la fecha. Al hacerlo, descartó una gama de posibles masas de axiones.

Ahora, la colaboración ADMX publicó sus últimos resultados basados ​​en datos tomados en 2018. Los nuevos resultados descartan otro rango masivo, cuatro veces más ancho que el primero, manteniendo el mismo grado de sensibilidad excepcional.

"Este resultado es tan bueno como para los axiones en el rango de masa al que ADMX es sensible, "Dijo Khatiwada." Lo cual es increíblemente valioso, porque estamos diciendo, con un mayor grado de certeza que nunca antes de que los axiones no existen allí ".

Descubrimientos cientificos, especialmente de partículas que rara vez interactúan con la materia, Confíe en este proceso de eliminación. El bosón de Higgs, por ejemplo, fue descubierto por el LHC en 2012, casi 50 años después de que se propuso por primera vez. Sin las limitaciones del Gran Colisionador de Electrones y Positrones del CERN y del Tevatrón del Fermilab sobre las masas posibles para la elusiva partícula, los experimentos del LHC no habrían sabido exactamente dónde buscar. Sin establecer restricciones, es virtualmente imposible ubicarse en nuevas, partículas que interactúan débilmente.

Con ambos resultados, ADMX ha descartado la posibilidad de que existan axiones con una masa entre 2,66 y 3,33 millonésimas de electrónvoltio de energía. Para comparacion, la masa del electrón es 511, 000 electronvoltios.

Con más datos y su excelente sensibilidad, ADMX podrá descubrir si existen axiones o descartarlos en un rango mucho más amplio de masas.

ADMX comenzará otra ejecución de toma de datos este año para explorar el rango por encima de las 3.33 millonésimas de un electronvoltio. Y solo aumentará su sensibilidad a los axiones con los avances nuevos y futuros en la reducción del ruido de fondo.

"Es surrealista ayudar a construir y operar un experimento único en el mundo, ", dijo Khatiwada." Es realmente gratificante ver que el arduo trabajo de todos, desde estudiantes graduados y posdoctorados hasta científicos y profesores, da sus frutos ".