Durante las ultimas décadas, muchos físicos experimentales han estado investigando la existencia de partículas llamadas axiones, que resultaría de un mecanismo específico que creen que podría explicar la contradicción entre teorías y experimentos que describen una simetría fundamental. Esta simetría está asociada con un desequilibrio materia-antimateria en el Universo, reflejado en interacciones entre diferentes partículas.

Si este mecanismo tuvo lugar en el Universo temprano, tal partícula podría tener una masa muy pequeña y ser "invisible". Posteriormente, Los investigadores propusieron que el axión también podría ser un candidato prometedor para la materia oscura, un esquivo, tipo hipotético de materia que no emite, reflejar o absorber la luz.

Si bien la materia oscura aún no se ha observado experimentalmente, se cree que constituye el 85% de la masa del universo. La detección de axiones podría tener implicaciones importantes para los experimentos de materia oscura en curso, ya que podría mejorar la comprensión actual de estas elusivas partículas.

Investigadores del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) han llevado a cabo recientemente una búsqueda de materia oscura de axiones invisibles utilizando un haloscopio de cavidades de células múltiples que diseñaron (es decir, un instrumento para observar halos, parhelia, y otros fenómenos físicos similares). Sus resultados se compararon favorablemente con los de búsquedas anteriores de materia oscura de axiones basadas en haloscopios. destacando el potencial del instrumento que crearon tanto para búsquedas de materia oscura como para otras investigaciones de física.

"El axión es detectable en forma de fotón de microondas en el que se convierte en presencia de un fuerte campo magnético, "SungWoo Youn, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Un haloscopio de cavidad, típicamente empleando un resonador cilíndrico colocado en un solenoide para utilizar resonancia para mejorar la señal, es el enfoque más sensible para probar los modelos teóricos bien establecidos ".

Si bien los haloscopios de cavidades podrían ser herramientas prometedoras para detectar axiones, generalmente son muy sensibles a frecuencias relativamente bajas. Esto se debe principalmente a que las frecuencias de resonancia son inversamente proporcionales al radio de la cavidad, que reduce el volumen de detección para búsquedas de alta frecuencia.

Esta es una de las razones por las que la búsqueda de axiones más sensible realizada hasta ahora, a saber, el Axion Dark Matter eXperiment (ADMC) de la Universidad de Washington, establecer límites experimentales por debajo de 1 GHz. Una de las posibles formas de evitar esta pérdida de volumen sería agrupar muchas cavidades más pequeñas y combinar señales individuales, para asegurar que todas las frecuencias y fases estén sincronizadas.

"Este sistema de cavidades múltiples se propuso anteriormente, pero no se ha abordado correctamente debido a los efectos sobre la confiabilidad y el aumento de la complejidad del funcionamiento del sistema, ", Dijo Youn." Nuestro equipo en el Centro de Investigación de Física de Precisión y Axiones (CAPP) en IBS, ubicado en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) en Corea del Sur, dirigido por mí mismo, así desarrolló un novedoso diseño de cavidad, la denominada cavidad de células múltiples ".

El haloscopio de cavidad diseñado por Youn y sus colegas se caracteriza por múltiples particiones que dividen verticalmente el volumen de su cavidad en células idénticas. Este diseño único aumenta las frecuencias resonantes con una mínima pérdida de volumen. Los investigadores también se aseguraron de que las particiones situadas en el medio de la cavidad estén separadas por un espacio.

"Al hacer que todas las células estén conectadas espacialmente, Nuestro diseño permite que una sola antena capte la señal de todo el volumen y, por lo tanto, simplifica significativamente la estructura de la cadena del receptor. "Youn explicó." El espacio de tamaño óptimo también permite que la señal inducida por axiones se distribuya uniformemente por el espacio, que maximiza el volumen efectivo independientemente de la tolerancia de mecanizado y la desalineación mecánica en la construcción de la cavidad. Llamé a este diseño de cavidad 'cavidad de pizza' y comparé la brecha con un ahorrador de pizza, que mantiene las rodajas intactas con sus ingredientes originales ".

El haloscopio que los investigadores utilizaron para realizar su experimento es el resultado de aproximadamente dos años de investigación basada en simulaciones, seguido de la fabricación de numerosos prototipos. En su estudio reciente, se utilizó para realizar una búsqueda de materia oscura de axiones utilizando un imán superconductor 9T a una temperatura de 2 kelvin (-271 ° C). Esto permitió a los investigadores escanear rápidamente un rango de frecuencia de> 200 MHz por encima de 3 GHz, que es 4 ~ 5 veces mayor que el cubierto por el experimento ADMX.

"Incluso si no hemos observado ninguna señal similar a un axión, demostramos con éxito que la cavidad de múltiples celdas podría detectar señales de alta frecuencia con alto rendimiento y confiabilidad, "Dijo Youn." También calculamos que debido al mayor volumen y mayor eficiencia, este nuevo diseño de cavidad puede permitirnos explorar el rango de frecuencia dado 4 veces más rápido que el convencional. A menudo hago una declaración humorística pero significativa:"Si un experimento tradicional tarda 4 años en probar algo, nuestro experimento tomará solo 1 año. Nuestro Ph.D. los estudiantes pueden graduarse mucho más rápido que otros '".

El estudio realizado por Youn y sus colegas demuestra el valor y el potencial del haloscopio de cavidad de pizza que desarrollaron para realizar búsquedas de materia oscura invisible en regiones de alta frecuencia. En el futuro, así podría ayudar a la búsqueda de este tipo de materia elusiva y tal vez algún día incluso permitir su detección.

"En la actualidad, nuestro centro también se está preparando para experimentos injertando varias cavidades de pizza en los sistemas existentes para buscar axiones de frecuencia aún más alta, "Añadió Youn.

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