Crédito:Braine et al.
La colaboración ADMX, un grupo de investigadores que trabajan en universidades de EE. UU. y Europa, ha realizado recientemente una nueva búsqueda de materia oscura de axiones invisibles utilizando un haloscopio de cavidad y un amplificador paramétrico Josephson de bajo ruido. Los haloscopios de cavidad son instrumentos sensibles diseñados para detectar y estudiar halos alrededor de cuerpos luminosos u otros fenómenos físicos. Amplificadores paramétricos Josephson, por otra parte, son herramientas tecnológicas que se pueden utilizar para manipular estados cuánticos de campos de luz de microondas.
En su artículo reciente, publicado en Cartas de revisión física , los investigadores buscaron axiones de materia oscura en el halo galáctico con una masa que oscilaba entre 2,81 y 3,31 μeV. Los resultados de esta búsqueda podrían ayudar a descartar predicciones teóricas previas, informando la búsqueda futura de materia oscura de axiones invisibles.
"Nuestra búsqueda reciente estuvo motivada por dos misterios diferentes de la física, ambos se resolverían con la detección de materia oscura de axiones, "Nick Du, investigador de la Universidad de Washington y coautor del artículo reciente, dijo Phys.org. "El primero de ellos es el misterio de la materia oscura".
Estudios de física anteriores han encontrado evidencia de que lo que normalmente pensamos como materia solo representa aproximadamente el 15% de la masa total del universo. Se cree que el 85% restante está compuesto por partículas que no absorben, emitir o reflejar luz, y por lo tanto no se puede detectar usando técnicas tradicionales para estudiar la materia.
Este material no luminoso, conocida como materia oscura, sigue siendo uno de los mayores misterios de la física contemporánea, ya que los investigadores aún no están seguros de si existe y de qué está hecho. Si bien ahora se han realizado innumerables búsquedas de materia oscura utilizando una variedad de instrumentos, este material misterioso hasta ahora nunca ha sido observado o detectado.
Las investigadoras Chelsea Bartram (izquierda) y Nicole Crisosto (derecha) mientras realizaban la búsqueda del axioma de materia oscura. Crédito:Braine et al.
"Una posible solución a lo que podría ser la materia oscura proviene de otro campo de la física, a saber, física nuclear, en forma de otro misterio conocido como el problema de Strong CP, "Du explicó." Una solución popular al problema de Strong CP predice la existencia de una nueva partícula conocida como axión, y las propiedades del axión lo convierten en un candidato convincente para la materia oscura. Al mirar la materia oscura del axión, la colaboración ADMX espera resolver tanto el problema de Strong CP como el misterio de la naturaleza de la materia oscura. "
El haloscopio de cavidad utilizado por Du y sus colegas consiste en una cavidad resonante colocada dentro de un gran campo magnético. Según las predicciones teóricas, Los axiones de materia oscura en el halo galáctico deberían acoplarse al campo magnético en la cavidad y producir fotones.
Es probable que la cantidad de fotones producidos sea muy pequeña, haciendo que la señal resultante sea muy difícil de detectar. Al ajustar la cavidad resonante dentro del haloscopio de axiones a la misma frecuencia que los fotones, sin embargo, se puede aumentar el número de fotones producidos por el halo galáctico.
Crédito:Braine et al.
"En cierto sentido, nuestra búsqueda de materia oscura de axiones es bastante similar a cómo funciona una radio, "Dijo Du." A medida que se sintoniza la frecuencia de una radio, se puede captar en diferentes estaciones de radio. En ese sentido, nuestro experimento es similar, excepto que no conocemos la frecuencia de nuestra estación de radio y la señal es mucho más débil ".
La búsqueda de axiones de materia oscura ha estado en curso durante varias décadas, y Du y sus colegas ya han llevado a cabo varias de estas búsquedas utilizando su haloscopio de cavidad. Si bien hasta ahora eran incapaces de detectar axiones invisibles, los resultados de su reciente experimento descartan un rango de masas de axiones que fueron previamente predichas por modelos teóricos de referencia de materia oscura de axiones.
"Esta es en realidad la segunda vez que nuestro experimento ha logrado esta sensibilidad a la materia oscura de los axiones, Pero esta vez, hemos triplicado el rango que cubrimos en nuestro estudio anterior, "Dijo Du." Al lograr y ampliar esta sensibilidad, hemos demostrado que en la búsqueda continua de materia oscura de axiones, ADMX representa una de las mejores esperanzas de encontrarlo ".
Crédito:Braine et al.
Las observaciones recopiladas por Du y sus colegas podrían informar futuras búsquedas de axiones de materia oscura. al mismo tiempo que allana el camino para nuevas predicciones teóricas. Los investigadores ahora están llevando a cabo una nueva búsqueda de materia oscura de axiones a frecuencias más altas. Si esta búsqueda tampoco tiene éxito, planean continuar buscando axiones invisibles a frecuencias aún mayores.
"A frecuencias más altas, la materia oscura del axión se vuelve más difícil de detectar, porque las cavidades convencionales que usaríamos ya no son tan sensibles a los axiones, "Dijo Du." Sin embargo, ya tenemos algunos prototipos interesantes para solucionar este problema, como los experimentos que utilizan una matriz de múltiples cavidades para buscar axiones de materia oscura ".
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