El Experimento Baryon Antibaryon Symmetry (BASE) en la Fábrica de Antimateria del CERN ha establecido nuevos límites en la existencia de partículas similares a axiones, y la facilidad con la que aquellos en un rango de masa estrecho alrededor de 2,97 neV podrían convertirse en fotones, las partículas de luz. El nuevo resultado de BASE, publicado por Cartas de revisión física , describe este método pionero y abre nuevas posibilidades experimentales en la búsqueda de materia oscura fría.

Axiones, o partículas similares a axiones, son candidatos para la materia oscura fría. De observaciones astrofísicas, creemos que alrededor del 27% del contenido de materia-energía del universo está compuesto por materia oscura. Estas partículas desconocidas sienten la fuerza de la gravedad, pero apenas responden a las otras fuerzas fundamentales, si los experimentan en absoluto. La teoría mejor aceptada de fuerzas y partículas fundamentales, llamado Modelo Estándar de física de partículas, no contiene partículas que tengan las propiedades adecuadas para ser materia oscura fría. El resultado informado por BASE investiga este hipotético fondo de materia oscura presente en todo el universo.

Dado que el modelo estándar deja muchas preguntas sin respuesta, los físicos han propuesto teorías que van más allá, algunos de los cuales explican la naturaleza de la materia oscura. Entre estas teorías se encuentran las que sugieren la existencia de axiones o partículas similares a axiones. Estas teorías deben ser probadas, y se han realizado muchos experimentos en todo el mundo para buscar estas partículas, incluso en el CERN. Por primera vez, BASE ha convertido las herramientas desarrolladas para detectar antiprotones individuales, el equivalente en antimateria de un protón, a la búsqueda de materia oscura. Esto es especialmente significativo ya que BASE no fue diseñado para tales estudios.

"BASE tiene sistemas de detección extremadamente sensibles para estudiar las propiedades de los antiprotones atrapados individuales. Estos detectores también se pueden utilizar para buscar señales de partículas distintas de las producidas por los antiprotones en las trampas. En este trabajo, Usamos uno de nuestros detectores como antena para buscar un nuevo tipo de partículas similares a axiones, "dice Jack Devlin, un investigador del CERN que trabaja en el experimento.

En comparación con los grandes detectores instalados en el Gran Colisionador de Hadrones, BASE es un pequeño experimento. Está conectado al desacelerador antiprotón del CERN, que le proporciona antiprotones. BASE captura y suspende estas partículas en una trampa Penning, un dispositivo que combina campos magnéticos eléctricos y fuertes. Para evitar colisiones con materia ordinaria, la trampa funciona a 5 kelvin (alrededor de -268 grados Celsius), una temperatura a la que presiones excesivamente bajas, similar a los del espacio profundo, se alcanzan. En este entorno extremadamente bien aislado, Las nubes de antiprotones atrapados pueden existir durante años. Ajustando cuidadosamente los campos eléctricos, los físicos de BASE pueden aislar antiprotones individuales y moverlos a una parte separada del experimento. En esta región, Los detectores resonantes superconductores muy sensibles pueden captar las pequeñas corrientes eléctricas generadas por antiprotones individuales a medida que se mueven alrededor de la trampa.

En el trabajo publicado por Cartas de revisión física , el equipo de BASE buscó señales eléctricas inesperadas en sus sensibles detectores de antiprotones. En el corazón de cada detector hay un pequeño, aproximadamente 4 cm de diámetro, bobina en forma de rosquilla de alambre superconductor, que se parece a los inductores que a menudo se encuentran en la electrónica ordinaria. Sin embargo, los detectores BASE son superconductores y casi no tienen resistencia eléctrica, y todos los componentes circundantes se eligen cuidadosamente para que no causen pérdidas eléctricas. Esto hace que los detectores BASE sean extremadamente sensibles a los pequeños campos eléctricos. Los detectores están ubicados en el fuerte campo magnético de la trampa Penning; Los axiones del fondo de materia oscura interactuarían con este campo magnético y se convertirían en fotones, que luego se puede detectar.

Los físicos utilizaron el antiprotón como sensor cuántico para calibrar el ruido de fondo en su detector. Luego comenzaron a buscar firmas de frecuencias estrechas incompatibles con el ruido del detector, por débil que sea, lo que podría insinuar los inducidos por partículas similares a axiones y sus posibles interacciones con los fotones. No se encontró nada en las frecuencias que se registraron, lo que significa que BASE logró establecer nuevos límites superiores para las posibles interacciones entre fotones y partículas similares a axiones con ciertas masas.

Con este estudio, BASE abre posibilidades para que otros experimentos de trampas de Penning participen en la búsqueda de materia oscura. Dado que BASE no se creó para buscar estas señales, Se podrían hacer varios cambios para aumentar la sensibilidad y el ancho de banda del experimento y mejorar la probabilidad de encontrar una partícula similar a un axión en el futuro.

"Con esta nueva técnica, Hemos combinado dos ramas de la física experimental que no estaban relacionadas anteriormente:la física de axiones y la física de trampas Penning de alta precisión. Nuestro experimento de laboratorio es complementario a los experimentos de astrofísica y es especialmente sensible en el rango de baja masa de axiones. Con un instrumento especialmente diseñado, podríamos ampliar el panorama de las búsquedas de axiones utilizando técnicas de trampa de Penning, "dice el portavoz de BASE Stefan Ulmer.