El campo de materia oscura de fotones oscuros se convierte en fotones en un objetivo dieléctrico en capas. Estos fotones son enfocados por una lente en un pequeño detector SNSPD de bajo ruido. El haz emitido por la pila es aproximadamente uniforme excepto por una pequeña región en el medio donde no hay un espejo. Crédito:Chiles et al.
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Instituto Perimeter establecieron recientemente nuevas restricciones sobre los fotones oscuros, que son partículas hipotéticas y candidatos reconocidos a la materia oscura. Sus hallazgos, presentados en un artículo publicado en Physical Review Letters , se lograron utilizando un nuevo detector de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD) que desarrollaron.
"Existe una estrecha colaboración entre nuestros grupos de investigación en el NIST y el MIT, dirigidos por el Dr. Sae Woo Nam y el Prof. Karl Berggren, respectivamente", dijo a Phys.org Jeff Chiles, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Trabajamos juntos para avanzar en la tecnología y las aplicaciones de los dispositivos ultrasensibles llamados detectores de fotones simples de nanocables superconductores o SNSPD".
En los últimos años, Chiles y sus colegas han estado considerando posibles aplicaciones que se beneficiarían de los detectores SNSPD en los que han estado trabajando, que prácticamente no tienen ruido de fondo, entre otras características ventajosas. Eventualmente fueron presentados a un grupo de físicos teóricos del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Canadá.
Este equipo de teóricos tuvo una idea interesante para un detector de materia oscura que podría operar en un dominio completamente diferente de los que se emplean actualmente en las búsquedas de materia oscura. Este detector, a saber, un haloscopio óptico dieléctrico multicapa, era un concepto muy prometedor, pero requeriría un detector óptico que pudiera funcionar mucho mejor que los que hay actualmente en el mercado.
"Resultó ser la combinación perfecta, ya que los grupos del MIT y el NIST pudieron construir el detector y el aparato y probarlo", explicó Chiles. "Entonces, nos unimos y llamamos a nuestro proyecto LAMPOST (Light A' Multilayer Periodic Optical SNSPD Target). Nuestro objetivo era lograr la primera prueba de concepto experimental para esta idea y demostrar que podría usarse para buscar materia oscura. con mejor sensibilidad que los límites ya establecidos."
El detector óptico ideado por Chiles y sus colegas se basa en una estructura conocida como pila dieléctrica u objetivo. Esta estructura puede generar fotones de señal de interés al convertir un fotón oscuro no relativista en un fotón relativista en la misma frecuencia.
Nuevas restricciones en DM de fotones oscuros con mezcla de masa y cinética. La región sombreada en magenta les muestra el límite del 90 % establecido por nuestro experimento. La delgada curva morada corresponde al alcance de un experimento equivalente con un SDE mejorado del 90 %. Los límites existentes en DM de fotones oscuros de los experimentos FUNK, SENSEI y Xenon10 y de la no detección de fotones oscuros solares por Xenon1T se muestran en gris. Crédito:Chiles et al.
"Primero, realizamos análisis de la construcción del aparato, simulaciones ópticas para determinar la eficiencia de recolección óptica, simulación de la eficiencia de detección, cálculo de la influencia de la polarización en la señal de materia oscura y la potencia de señal mínima compatible con la posible rango de propiedades objetivo", dijo Ilya Charaev, otro investigador involucrado en el estudio, a Phys.org. "Usando la técnica SNSPD, todas las señales entrantes se registraron durante una exposición de 180 horas".
Para establecer un límite en el acoplamiento de la materia oscura, los investigadores estimaron la tasa de conteo oscuro, también conocida como "ruido" para el detector SNSPD que desarrollaron. Curiosamente, su valor de ruido estimado es el más bajo entre todos los valores informados en la literatura de física.
"Notablemente, logramos nuestro objetivo, ya que pudimos buscar un tipo de materia oscura, específicamente 'fotones oscuros', con el doble de sensibilidad que cualquier otra cosa en el rango de energía que buscamos", dijo Chiles. "En el gran esquema de las cosas, esto sigue siendo un pequeño escalón fuera de una amplia gama de posibilidades para la materia oscura. Pero que nuestra primera ejecución supere los límites existentes es un primer paso importante, y para mí, esto habla del poder y simplicidad del enfoque del haloscopio óptico dieléctrico multicapa".
En sus experimentos, este equipo de investigadores reunió información valiosa que podría informar futuras búsquedas de fotones oscuros, al mismo tiempo que fomenta potencialmente el uso de SNSPD. Además de establecer nuevas restricciones sobre los fotones oscuros, de hecho, Chiles y sus colegas aprendieron más sobre las capacidades de su detector.
En particular, descubrieron que el ruido en su detector era increíblemente bajo. Más específicamente, el equipo solo observó 5 "eventos falsos" para uno de sus detectores de fotón único durante 180 horas de recopilación de datos, lo que sugiere que su tecnología es muy sensible a las señales débiles.
"Es emocionante pensar en qué otros experimentos de física de eventos raros se podría aplicar esta tecnología en un futuro cercano", agregó Chiles. "Mientras tanto, planeamos ampliar el experimento desde aquí. La primera ejecución fue una prueba de concepto, pero la próxima será lo suficientemente sensible como para cubrir un gran espacio de parámetros para la materia oscura, que incluirá tanto axiones como fotones oscuros". ."
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