Si bien la existencia de materia oscura está ahora bien documentada, los astrofísicos de todo el mundo todavía están intentando idear métodos eficaces para detectarla y confirmar su composición.

El Experimento de reflector de banda ancha para la detección de axiones (BREAD), un proyecto de investigación recientemente establecido dirigido por físicos de la Universidad de Chicago y el Laboratorio del Acelerador Fermi, introdujo un nuevo enfoque para buscar candidatos a materia oscura clara, incluidos fotones y axiones oscuros.

El método propuesto por BREAD Collaboration, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters , implica el uso de una antena parabólica coaxial para captar señales que estarían asociadas con estas partículas.

"Sabemos que hay una forma de materia a nuestro alrededor que interactúa muy débilmente y no irradia, pero no sabemos de qué está hecha", dijo a Phys.org Stefan Knirck, autor correspondiente de BREAD Collaboration. /P>

"En las últimas décadas se han realizado muchos esfuerzos para buscar nuevas partículas fundamentales con una masa similar a la de un protón, pero con poco éxito. Por lo tanto, recurrimos a otros candidatos muy bien motivados:el fotón oscuro y el axión. "

Se teoriza que los fotones y axiones oscuros son aproximadamente 1 billón de veces más ligeros que los protones, por lo que su detección requeriría tecnologías muy diferentes. Si bien la colaboración BREAD aún está en sus inicios, introdujo una nueva tecnología diseñada para buscar estas partículas más ligeras. El objetivo del reciente estudio de Knirck y sus colegas era comenzar a probar esta tecnología en un experimento inicial a pequeña escala.

"La idea detrás de nuestro trabajo es que si existe materia oscura axión (o en el caso de este artículo, fotón oscuro), puede convertirse en partículas de luz (fotones) en una pared metálica", explicó Knirck. "Los fotones se emiten perpendicularmente a la pared.

"En BREAD, el cilindro exterior corresponde a esta pared. Luego, toda esta luz se enfoca en un pequeño punto donde se puede colocar un detector de luz o una antena para buscar una señal. En BREAD, la combinación del reflector interior en forma de lágrima y El cilindro exterior se encarga del enfoque."

Para hacer que la configuración sea sensible a la materia oscura axión, la Colaboración BREAD también podría agregar un campo magnético paralelo a la pared metálica en una versión futura del experimento. Una característica única del nuevo detector es que puede caber en imanes de solenoide muy grandes (escala m) de alto campo (multi-Tesla).

"En este primer experimento, nos centramos en detectar 'luz' en el régimen de microondas, similar a las microondas que se utilizan cuando se calienta la comida en casa", dijo Knirck. "Con este fin, diseñamos una antena de microondas personalizada en el punto focal y un esquema muy sensible para ver las potencias más pequeñas recibidas por la antena. Esto aprovechó el desarrollo líder en electrónica cuántica que se está llevando a cabo en Fermilab".

La Colaboración BREAD recopiló su primera ronda de datos el verano pasado, específicamente entre junio y julio de 2023. Los datos que recopilaron incluyen el ruido térmico captado por la antena durante este período y algo de ruido agregado debido a la amplificación.

"Dentro de este ruido, una señal sería un pequeño exceso, que buscamos en nuestro análisis", dijo Knirck. "Esto es similar a girar la perilla de frecuencia de una radio:si no hay ninguna estación en una frecuencia determinada, escuchas ruido, pero cuando sintonizas lentamente una estación, puedes escuchar la señal de la estación que comienza a dominar el ruido. ."

El reciente artículo publicado por Knirck y sus colaboradores describe los resultados de su primera búsqueda de fotones oscuros utilizando este nuevo detector. Si bien no captaron ninguna señal relevante, se descubrió que su experimento era alrededor de 10.000 veces más sensible a la potencia de la señal del fotón oscuro dentro de una masa que oscila entre 44 y 52 μeV (10,7 a 12,5 GHz) que los métodos propuestos anteriormente.

"Nuestro trabajo demuestra el potencial de este concepto y nos prepara para ampliarlo y hacerlo mucho más sensible en el futuro", afirmó Knirck. "Esto nos motiva a seguir desarrollando esta tecnología con una sensibilidad mucho mejor en rangos mucho más amplios de diferentes masas de materia oscura".

La Colaboración BREAD espera que su nuevo enfoque les permita
explorar los modelos de axiones mejor motivados y potencialmente conducir a su detección, lo que supondría un gran avance en la astrofísica de partículas.

Los investigadores ahora están ejecutando su experimento en un imán 4T en el Laboratorio Nacional Argonne, para desbloquear su sensibilidad a la materia oscura similar a un axión.

"También estamos construyendo más prototipos que combinan el concepto con diferentes tecnologías cuánticas de vanguardia para que sean sensibles a partículas individuales de luz en el foco", añadió Knirck. "En Fermilab esperamos recibir pronto un imán aún más potente que hará que nuestros experimentos sean mucho más sensibles.

"El objetivo a largo plazo es un programa experimental a gran escala con una configuración de aproximadamente 10 m dentro de un enorme imán que permita explorar los modelos mejor motivados".