Investigadores del Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP), dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), han informado los primeros resultados de su búsqueda de axiones, elusivo, partículas ultraligeras que se consideran candidatas a materia oscura. IBS-CAPP se encuentra en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST). Publicado en Cartas de revisión física , el análisis combina datos tomados durante tres meses con un nuevo aparato de caza de axiones desarrollado durante los últimos dos años.

Demostrar la existencia de axiones podría resolver dos de los mayores misterios de la física moderna a la vez:por qué las galaxias que orbitan dentro de los cúmulos de galaxias se mueven mucho más rápido de lo esperado, y por qué dos fuerzas fundamentales de la naturaleza siguen reglas de simetría diferentes. El primer acertijo se planteó en la década de 1930, y se confirmó en la década de 1970 cuando los astrónomos notaron que la masa observada de la Vía Láctea no podía explicar la fuerte atracción gravitacional experimentada por las estrellas en las galaxias. El segundo enigma conocido como el fuerte problema de PC, fue calificado por la revista Forbes como "el rompecabezas más subestimado de toda la física" en 2019.

La simetría es un elemento importante de la física de partículas y CP se refiere a la simetría de carga + paridad, donde las leyes de la física son las mismas si las partículas se intercambian con sus correspondientes antipartículas (C) en sus imágenes especulares (P). En el caso de la fuerza fuerte, que se encarga de mantener unidos los núcleos, Teóricamente se permite la violación de CP, pero nunca ha sido detectado, incluso en los experimentos más sensibles. Por otra parte, La simetría CP se viola tanto teórica como experimentalmente en la fuerza débil, que subyace a algunos tipos de desintegraciones radiactivas. En 1977, Los físicos teóricos Roberto Peccei y Helen Quinn propusieron la simetría Peccei-Quinn como solución teórica a este problema, y dos premios Nobel de Física, Frank Wilczek y Steven Weinberg, mostró que la simetría Peccei-Quinn da como resultado una nueva partícula:el axión. La partícula lleva el nombre de un detergente estadounidense, porque debería limpiar el desorden de interacciones fuertes.

En la actualidad, se estima que el 85% de la materia en el universo consiste en materia oscura, que es imperceptible. La materia oscura proporciona suficiente masa para evitar que el sol abandone la Vía Láctea, pero no es visible en condiciones normales. En otras palabras, Se espera que los axiones estén presentes en gran cantidad en el Universo, sino para apenas interactuar con las partículas que nos son familiares.

Según las predicciones y la regla de oro de Fermi, un axión se transforma espontáneamente en dos partículas detectables (fotones) a una velocidad extremadamente baja, y esta conversión puede ser más rápida en un entorno donde uno de los fotones ya está presente. En experimentos, ese papel lo juega un fuerte campo magnético, que proporciona fotones de todos los niveles de energía (virtualmente), acelerando enormemente el proceso.

Para facilitar la conversión de axiones a fotones, Los investigadores del IBS utilizaron su haloscopio CAPP-8TB hecho a medida. Este instrumento tiene un imán superconductor en forma de cilindro con un diámetro interior transparente de 165 mm y un campo magnético central de 8 Tesla. La señal de los fotones generados por axiones se amplifica en una cavidad resonante. Si se elige la frecuencia correcta, los fotones resonarían en la cavidad y marcarían su presencia con un pequeño destello. El equipo necesitaría detectar alrededor de 100 fotones de microondas por segundo para hacer una declaración segura.

"Este experimento no es un sprint de 100 metros, pero el primer gol en una carrera de maratón. Aprendimos haciendo y probamos nuevos conceptos para utilizarlos en sistemas de alto nivel en el futuro, "explica Yannis K. Semertzidis, el director del Centro y también profesor de KAIST.

En esta ejecución experimental, el equipo buscó axiones con una masa entre 6,62 y 6,82 μeV, correspondiente a la frecuencia entre 1,6 y 1,65 GHz, un rango que fue seleccionado por cromodinámica cuántica. Los investigadores mostraron experimentalmente con un nivel de confianza del 90%, el resultado más sensible en el rango de masas hasta la fecha, que no hay materia oscura de axiones o partículas similares a axiones dentro de ese rango. De este modo, CAPP-8TB ocupa su lugar entre otros experimentos de caza de axiones que buscan varias masas posibles. Es más, este es el único experimento en ese rango de masas que alcanza cerca de la sensibilidad requerida según los dos modelos teóricos más famosos sobre axiones:el modelo KSVZ y el modelo DFSZ. Las letras son abreviaturas que se refieren a los científicos que las propusieron.

"Demostramos que podemos alcanzar una sensibilidad mucho mejor que todos los demás experimentos en ese rango de frecuencia y que estamos listos para ampliar nuestra investigación con sistemas más grandes. Nuestro objetivo es estar en la cima de nuestro campo durante los próximos 10 años. Por eso Es tan excitante, "dice el becario de ingeniería de investigación Soohyung Lee, el primer autor del estudio.

El rango de masa está determinado por el diámetro de la cavidad. Un diámetro mayor puede buscar una región de menor masa y viceversa. Dado que la cavidad resonante de CAPP-8TB se coloca dentro del orificio transparente del imán superconductor, Los investigadores del IBS diseñaron una cavidad cilíndrica de cobre sintonizable como resonador con el volumen máximo disponible.

Más allá de la cavidad el haloscopio CAPP-8TB cuenta con una serie de tecnologías de vanguardia, incluido un refrigerador de dilución criogénica que alcanza los –273 grados Celsius (aproximadamente 50 mK por encima del cero absoluto), un imán superconductor con un fuerte campo magnético, electrónica de microondas de bajo ruido y amplificadores de última generación.

El plan es buscar axiones que sintonicen el haloscopio a una frecuencia de 1 a 10 GHz, y luego de 10 a 25 GHz utilizando un imán más potente y de gran volumen, implementando todos sus inventos. La búsqueda de axiones continúa sin parar.