Avance en la tecnología de detección en Axion Dark Matter Experiment (ADMX).

La tecnología NRAO/CDL forma parte de la búsqueda de la partícula de materia oscura.
Dentro de la sala de experimentos de ADMX en la Universidad de Washington. El detector ADMX está bajo tierra, rodeado por un campo magnético. Crédito: Mark Stone / Universidad de Washington.

Publicado el 9 de abril del 2.018.

Hace cuarenta años, los científicos teorizaron un nuevo tipo de partícula de baja masa que podría resolver uno de los misterios perdurables de la naturaleza: de qué está hecha la materia oscura. Ahora ha comenzado un nuevo capítulo en la búsqueda de esa partícula.

Esta semana, Axion Dark Matter Experiment (ADMX) dio a conocer un nuevo resultado (publicado en Physical Review Letters) que lo ubica en una categoría de uno: es el primer y único experimento del mundo que ha logrado la sensibilidad necesaria para "escuchar" signos reveladores de axiones de materia oscura. Este avance tecnológico es el resultado de más de 30 años de investigación y desarrollo, con la última pieza del rompecabezas en forma de un dispositivo con habilitación cuántica que permite a ADMX escuchar los axiones más de cerca que cualquier experimento que se haya construido.

ADMX es administrado por el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU. Y está ubicado en la Universidad de Washington. Este nuevo resultado, el primero de la serie de segunda generación de ADMX, establece límites en un pequeño rango de frecuencias donde los axiones pueden estar ocultos, y prepara el escenario para una búsqueda más amplia en los próximos años.

"Este resultado marca el comienzo de la verdadera búsqueda de axiones", dijo Andrew Sonnenschein, gerente de operaciones de ADMX de Fermilab. "Si existen axiones de materia oscura dentro de la banda de frecuencias, investigaremos durante los próximos años, entonces es solo cuestión de tiempo antes de que los encontremos".

Una teoría sugiere que la materia oscura que mantiene unidas a las galaxias podría estar formada por un gran número de partículas de baja masa, que son casi invisibles a la detección a medida que fluyen a través del cosmos. Los esfuerzos en la década de 1980 para encontrar esta partícula, llamada el axión por el teórico Frank Wilczek, actualmente del Instituto de Tecnología de Massachusetts, no tuvieron éxito, lo que demuestra que su detección sería extremadamente desafiante.

Una representación seccionada del detector ADMX, que
puede detectar los axones que producen fotones dentro de
su interior frío y oscuro. Crédito: colaboración ADMX

ADMX es un haloscopio de axiones, esencialmente un gran receptor de radio de bajo ruido, que los científicos sintonizan a diferentes frecuencias y escuchan para encontrar la frecuencia de la señal de axión. Los axones casi nunca interactúan con la materia, pero con la ayuda de un campo magnético fuerte y una caja reflectante fría, oscura y correctamente ajustada, ADMX puede "oír" fotones creados cuando los axiones se convierten en ondas electromagnéticas dentro del detector.

"Si piensas en una radio AM, es exactamente así", dijo Gray Rybka, co-portavoz de ADMX y profesor asistente de la Universidad de Washington. "Hemos construido una radio que busca una estación de radio, pero no sabemos su frecuencia. Giramos la perilla lentamente mientras escuchamos. Idealmente escucharemos un tono cuando la frecuencia sea correcta ".

Este método de detección, que podría hacer que el "axión invisible" sea visible, fue inventado por Pierre Sikivie de la Universidad de Florida en 1983, al igual que la noción de que los halos galácticos podrían estar hechos de axiones.

Los experimentos y análisis pioneros realizados por una colaboración de Fermilab, la Universidad de Rochester y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., Así como de científicos de la Universidad de Florida, demostraron la practicidad del experimento. Esto condujo a la construcción a finales de la década de 1990 de un detector a gran escala en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del Departamento de Energía de EE. UU., Que es la base del actual ADMX.

Sin embargo, solo recientemente, el equipo de ADMX ha podido desplegar amplificadores cuánticos superconductores en todo su potencial, lo que permite que el experimento alcance una sensibilidad sin precedentes. Las ejecuciones anteriores de ADMX se vieron obstaculizadas por el ruido de fondo generado por la radiación térmica y los propios componentes electrónicos de la máquina.

La reparación del ruido de radiación térmica es fácil: un sistema de refrigeración enfría el detector hasta 0.1 Kelvin (aproximadamente -460 grados Fahrenheit). Pero eliminar el ruido de la electrónica resultó más difícil. Las primeras versiones de ADMX usaron amplificadores de transistor estándar, pero después de conectarse con John Clarke, un profesor de la Universidad de California en Berkeley, Clarke desarrolló un amplificador limitado cuánticamente para el experimento. Esta tecnología mucho más silenciosa, combinada con la unidad de refrigeración, reduce el ruido en un nivel lo suficientemente significativo para que la señal, si ADMX descubre uno, pasará alto y claro.

La sensibilidad sin precedentes del instrumento ADMX también se logra, en parte, por el amplificador criogénico de bajo ruido utilizado como la segunda etapa del receptor. Este amplificador especialmente diseñado, originalmente desarrollado en el Laboratorio Central de Desarrollo del Observatorio Nacional de Radio Astronomía por Rich Bradley para el receptor de foco principal en el Telescopio Green Bank, es ideal para ADMX, incluso cuando opera en un entorno de campo magnético potente.

"Las versiones iniciales de este experimento, con amplificadores basados ​​en transistores, habrían tardado cientos de años en escanear el rango más probable de masas de axión. Con los nuevos detectores superconductores, podemos buscar el mismo rango en escalas de tiempo de solo unos pocos años ", dijo Gianpaolo Carosi, co-portavoz de ADMX y científico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

"Este resultado planta una bandera", dijo Leslie Rosenberg, profesora de la Universidad de Washington y directora científica de ADMX. "Le dice al mundo que tenemos la sensibilidad, y tenemos una muy buena oportunidad de encontrar el axión. No se necesita nueva tecnología. Ya no necesitamos un milagro, solo necesitamos el tiempo ".

ADMX ahora probará millones de frecuencias en este nivel de sensibilidad. Si se encuentran axiones, sería un descubrimiento importante que podría explicar no solo la materia oscura, sino también otros misterios persistentes del universo. Si ADMX no encuentra axiones, eso puede forzar a los teóricos a idear nuevas soluciones para esos enigmas.

"Un descubrimiento podría venir en cualquier momento en los próximos años", dijo el científico Aaron Chou de Fermilab. "Ha sido un largo camino llegar a este punto, pero estamos a punto de comenzar el momento más emocionante en esta búsqueda continua de axiones".

Notas.
Esta investigación cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., La Fundación Heising-Simons y los programas de investigación y desarrollo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del DOE de EE. UU. Y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE de EE. UU.

La colaboración de ADMX incluye científicos en Fermilab, la Universidad de Washington, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, el Laboratorio Nacional Los Alamos, el Observatorio Nacional de Radio Astronomía, la Universidad de California en Berkeley, la Universidad de Chicago, la Universidad de Florida y la Universidad de Sheffield.

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