Una nueva investigación utiliza una antena parabólica coaxial para buscar materia oscura

Uno de los mayores misterios de la ciencia moderna es la materia oscura. Sabemos que la materia oscura existe gracias a sus efectos sobre otros objetos del universo, pero nunca hemos podido verla directamente. No es una cuestión sencilla: actualmente los científicos creen que constituye alrededor del 85% de la masa total del universo.

Un nuevo experimento de colaboración dirigido por la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi, conocido como Experimento Reflector de Banda Ancha para Detección de Axiones o BREAD, ha publicado sus resultados. Primeros resultados En la búsqueda de materia oscura en un estudio publicado en Cartas de revisión física. Aunque no encontraron materia oscura, redujeron las limitaciones sobre dónde podría estar y demostraron un enfoque único que puede acelerar la búsqueda de la misteriosa materia, con relativamente poco espacio y costo.

«Estamos muy entusiasmados con lo que hemos podido hacer hasta ahora», dijo UChicago Assoc. El profesor David Miller, codirector del experimento junto con Andrew Sonnenschein del Fermilab, quien desarrolló originalmente el concepto del experimento. «Este diseño tiene muchas ventajas prácticas y ya hemos demostrado la mejor sensibilidad hasta la fecha en esta frecuencia de 11-12 GHz».

«Este resultado es un hito para nuestro concepto, y demuestra por primera vez el poder de nuestro enfoque», dijo Stefan Knierk, investigador postdoctoral en Fermilab y autor principal del estudio, quien dirigió la construcción y operación del detector. «Es fantástico que podamos hacer este tipo de ciencia creativa a escala de mesa, donde un pequeño equipo puede hacer de todo, desde construir el experimento hasta analizar los datos, pero aún así tener un gran impacto en la física de partículas moderna».

«Hay algo»

Cuando miramos alrededor del universo, podemos ver que hay algún tipo de materia que ejerce suficiente gravedad para atraer estrellas y galaxias y dejar pasar la luz, pero ningún telescopio o instrumento ha sido capaz de capturar la fuente directamente, de ahí el nombre de «materia oscura». «

Sin embargo, como nadie ha visto nunca la materia oscura, no sabemos exactamente qué aspecto tiene ni exactamente dónde buscarla. «Estamos bastante seguros de que hay algo ahí fuera, pero hay muchas, muchas formas que puede adoptar», dijo Miller.

Los científicos han trazado varias de las opciones más probables de lugares y formas para buscar. Normalmente, el enfoque ha sido construir detectores para realizar una búsqueda muy exhaustiva de un área específica (en este caso, un rango de frecuencias) con el fin de descartarla.

Pero un equipo de científicos ha descubierto un enfoque diferente. Su diseño es de “banda ancha”, lo que significa que puede buscar en una gama más amplia de posibilidades, aunque con una resolución ligeramente inferior.

«Si lo consideramos como la radio, buscar materia oscura es como sintonizar un dial para buscar una estación de radio específica, excepto que hay un millón de frecuencias para verificar», dijo Miller. «Nuestro enfoque es como hacer una encuesta exhaustiva de 100.000 estaciones de radio, en lugar de sólo unas pocas».

Prueba de concepto

El detector de pan busca un subconjunto específico de probabilidades. Está diseñado para buscar materia oscura en forma de lo que se conoce como “axones” o “fotones oscuros”, partículas con masas muy pequeñas que pueden convertirse en un fotón visible en las condiciones adecuadas.

Así, BREAD consiste en un tubo de metal que tiene una superficie curva que captura y pasa fotones potenciales a un sensor en un extremo. Todo es lo suficientemente pequeño como para caber en tus brazos, lo cual es inusual en este tipo de experiencia. En la versión completa, BREAD se asentará dentro del imán para generar un fuerte campo magnético, aumentando las posibilidades de convertir partículas de materia oscura en fotones.

Para probar el principio, el equipo realizó el experimento sin imán. La colaboración ejecutó el prototipo del dispositivo en la Universidad de Chicago durante aproximadamente un mes y analizó los datos.

Los científicos afirmaron que los resultados son muy prometedores, ya que mostraron una sensibilidad muy alta a la frecuencia elegida.

Desde que aparecieron los resultados en Cartas de revisión física Aceptado, BREAD se mueve dentro de un imán de resonancia magnética reutilizado en el Laboratorio Nacional Argonne y está tomando más datos. Su sede final, en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi, utilizará imanes más potentes.

«Este es sólo el primer paso de una serie de emocionantes experimentos que estamos planeando», dijo Sonnenshein. «Tenemos muchas ideas para mejorar la sensibilidad de nuestra búsqueda de axiones».

«Todavía hay muchas preguntas abiertas en la ciencia y un enorme espacio para nuevas ideas creativas para abordar estas preguntas», dijo Miller. «Creo que este es un ejemplo realmente especial de este tipo de idea creativa; en este caso, asociaciones de colaboración impactantes entre ciencia a pequeña escala en universidades y ciencia más amplia en laboratorios nacionales».

El instrumento BREAD se construyó en Fermilab como parte del programa de investigación y desarrollo de detección del laboratorio y luego se operó en la Universidad de Chicago, donde se recopilaron datos para este estudio. Gabe Hoshino, estudiante de posgrado de la Universidad de Chicago, dirigió la operación del detector, junto con los estudiantes universitarios Alex Lapointe y Mira Litman.

El Laboratorio Nacional Argonne mantiene una instalación magnética que se utilizará para la siguiente fase del programa de física BREAD. Otras instituciones, entre ellas el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el Instituto de Tecnología de Illinois, el MIT, el Laboratorio de Propulsión a Chorro, la Universidad de Washington, Caltech y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, están trabajando con la Universidad de Chicago y Fermilab en investigación y desarrollo para futuras versiones de Experience.