Primeros resultados de la 'caza' de axiones de materia oscura

Publicado en 'Physical Review Letters', el análisis combina datos tomados durante tres meses con un nuevo aparato de caza de axiones desarrollado durante los últimos dos años.

Probar la existencia de axiones podría resolver dos de los mayores misterios de la física moderna a la vez: por qué las galaxias que orbitan dentro de los cúmulos de galaxias se mueven mucho más rápido de lo esperado, y por qué dos fuerzas fundamentales de la naturaleza siguen diferentes reglas de simetría.

El primer enigma surgió en la década de 1930 y se confirmó en los años 70 cuando los astrónomos notaron que la masa observada de la galaxia de la Vía Láctea no podía explicar la fuerte atracción gravitacional experimentada por las estrellas en las galaxias. El segundo enigma, conocido como el fuerte problema de CP, fue calificado por la revista Forbes como "el rompecabezas más subestimado de toda la física" en 2019.

La simetría es un elemento importante de la física de partículas y CP se refiere a la simetría de carga + paridad, donde las leyes de la física son las mismas si las partículas se intercambian con sus antipartículas correspondientes (C) en sus imágenes especulares (P). En el caso de la fuerza fuerte, que es responsable de mantener los núcleos unidos, la violación de PC está permitida teóricamente, pero nunca se ha detectado, incluso en los experimentos más sensibles. Por el contrario, la simetría CP se viola tanto teórica como experimentalmente en la fuerza débil, que subyace a algunos tipos de desintegraciones radiactivas.

En 1977, los físicos teóricos Roberto Peccei y Helen Quinn propusieron la simetría de Peccei-Quinn como una solución teórica a este problema, y dos premios Nobel de Física, Frank Wilczek y Steven Weinberg, mostraron que la simetría de Peccei-Quinn da como resultado una nueva partícula: el axión.

Actualmente, se estima que el 85% de la materia en el Universo es oscura. La materia oscura proporciona suficiente masa para evitar que el Sol salga de la Vía Láctea, pero no es visible en condiciones normales. En otras palabras, se espera que los axiones estén presentes en gran cantidad en el Universo, pero que apenas interactúen con las partículas que nos son familiares.

Según las predicciones y la regla de oro de Fermi, un axión se transforma espontáneamente en dos partículas detectables (fotones) a una velocidad extremadamente baja, y esta conversión puede ser más rápida en un entorno donde uno de los fotones ya está presente. En los experimentos, ese papel lo desempeña un fuerte campo magnético, que proporciona (prácticamente) fotones de todos los niveles de energía, acelerando enormemente el proceso.

Para facilitar la conversión de axión a fotón, los investigadores del SII utilizaron el haloscopio CAPP-8TB. Este instrumento tiene un imán superconductor en forma de cilindro con un orificio transparente de 165 mm y un campo magnético central de 8 Tesla. La señal de los fotones generados por el axión se amplifica en una cavidad resonante. Si se elige la frecuencia correcta, los fotones resonarían en la cavidad y marcarían su presencia con un pequeño destello. El equipo necesitaría detectar alrededor de 100 fotones de microondas por segundo para hacer una declaración confiable.

En esta carrera experimental, el equipo buscó axiones con una masa correspondiente a la frecuencia entre 1.6 y 1.65 GHz, un rango que fue seleccionado por cromodinámica cuántica. Los investigadores demostraron experimentalmente con un nivel de confianza del 90%, que es el resultado más sensible en el rango de masa hasta la fecha, que no hay materia oscura de axiones ni partículas similares a axiones dentro de ese rango.

De esta manera, CAPP-8TB toma su lugar entre otros experimentos de caza de axiones que están buscando varias masas posibles. Además, este es el único experimento en ese rango de masa que alcanza cerca de la sensibilidad requerida de acuerdo con los dos modelos teóricos más famosos sobre axiones: el modelo KSVZ y el modelo DFSZ.

"Probamos que podemos alcanzar una sensibilidad mucho mejor que todos los demás experimentos en ese rango de frecuencia y que estamos listos para ampliar nuestra investigación con sistemas más grandes. ¡Nuestro objetivo es estar en la cima de nuestro campo durante los próximos diez años! ¡Es por eso que ¡Es tan excitante!", exclama el investigador Soohyung Lee, primer autor del estudio.

El rango de masa está determinado por el diámetro de la cavidad. Un diámetro mayor puede buscar una región de masa más baja y viceversa. Dado que la cavidad resonante de CAPP-8TB se coloca dentro del orificio transparente del imán superconductor, los investigadores del IBS diseñaron una cavidad cilíndrica de cobre sintonizable como un resonador con el volumen máximo disponible.

Más allá de la cavidad, el haloscopio CAPP-8TB cuenta con una serie de tecnologías de vanguardia, que incluyen un refrigerador de dilución criogénica que alcanza -273ºC (solo unos 50 mK por encima del cero absoluto), un imán superconductor con un campo magnético fuerte.

El plan del Centro es buscar axiones que sintonicen el haloscopio a una frecuencia de 1-10 GHz, y luego de 10-25 GHz utilizando un imán más potente con gran volumen, implementando todos sus inventos.