Los físicos del MIT y de otros lugares han realizado la primera ejecución de un nuevo experimento para detectar axiones: partículas hipotéticas que se pronostican entre las partículas más livianas del universo. Si existen, los axiones serían prácticamente invisibles, pero ineludibles;podría representar casi el 85 por ciento de la masa del universo, en forma de materia oscura.
Los axiones son particularmente inusuales ya que se espera que modifiquen las reglas de electricidad y magnetismo a un nivel de minuto. En un artículo publicado hoy en Cartas de revisión física , el equipo liderado por el MIT informa que en el primer mes de observaciones el experimento no detectó signos de axiones dentro del rango de masa de 0,31 a 8,3 nanoelectronvoltios. Esto significa que los axiones dentro de este rango de masa, que es equivalente a aproximadamente un quintillonésimola masa de un protón, o no existe o tienen un efecto aún menor en la electricidad y el magnetismo de lo que se pensaba anteriormente
"Esta es la primera vez que alguien mira directamente este espacio axonal", dice Lindley Winslow, investigador principal del experimento y profesor asistente de desarrollo profesional de física de Jerrold R. Zacharias en el MIT. "Estamos entusiasmados de que podamosahora diga: 'Tenemos una manera de mirar aquí, ¡y sabemos cómo hacerlo mejor!' "
Los coautores del MIT de Winslow incluyen al autor principal Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zachary Bogorad, Janet Conrad, Joseph Formaggio, Joseph Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler y Daniel Winklehner, junto con investigadores de otras ocho instituciones.
Magnetars y munchkins
Si bien se cree que están en todas partes, se predice que los axiones serán prácticamente como fantasmas, teniendo solo pequeñas interacciones con cualquier otra cosa en el universo.
"Como materia oscura, no deberían afectar su vida cotidiana", dice Winslow. "Pero se cree que afectan las cosas a nivel cosmológico, como la expansión del universo y la formación de galaxias que vemos en la nochecielo."
Debido a su interacción con el electromagnetismo, se teoriza que los axiones tienen un comportamiento sorprendente alrededor de los magnetares, un tipo de estrella de neutrones que produce un campo magnético enormemente poderoso. Si hay axiones presentes, pueden explotar el campo magnético del magnetar para convertirse ellos mismos.en ondas de radio, que se pueden detectar con telescopios dedicados en la Tierra.
En 2016, un trío de teóricos del MIT elaboró un experimento mental para detectar axiones, inspirado en el magnetar. El experimento se denominó ABRACADABRA, por el enfoque de banda ancha / resonancia A para la detección de axiones cósmicos con un aparato de anillo amplificador de campo B,y fue concebido por Thaler, quien es profesor asociado de física e investigador en el Laboratorio de Ciencias Nucleares y el Centro de Física Teórica, junto con Benjamin Safdi, entonces miembro del MIT Pappalardo, y el ex alumno graduado Yonatan Kahn.
El equipo propuso un diseño para un pequeño imán con forma de rosquilla que se mantiene en un refrigerador a temperaturas justo por encima del cero absoluto. Sin axiones, no debería haber campo magnético en el centro de la rosquilla o, como lo dice Winslow, "donde debería estar el munchkin ". Sin embargo, si existen axiones, un detector debe" ver "un campo magnético en el medio de la rosquilla
Después de que el grupo publicó su diseño teórico, Winslow, un experimentalista, comenzó a buscar formas de construir el experimento.
"Queríamos buscar una señal de un axión donde, si lo vemos, es realmente el axión", dice Winslow. "Eso es lo elegante de este experimento. Técnicamente, si vieras este campo magnético, solo podríaser el axión, debido a la geometría particular que pensaron "
En el punto dulce
Es un experimento desafiante porque la señal esperada es inferior a 20 atto-Tesla. Como referencia, el campo magnético de la Tierra es de 30 micro-Tesla y las ondas cerebrales humanas son de 1 pico-Tesla. Al construir el experimento, Winslow y sus colegastuvo que lidiar con dos desafíos de diseño principales, el primero de los cuales involucraba el refrigerador utilizado para mantener todo el experimento a temperaturas extremadamente frías. El refrigerador incluía un sistema de bombas mecánicas cuya actividad podía generar vibraciones muy leves que Winslow temía podría enmascarar una señal de axion.
El segundo desafío tenía que ver con el ruido en el medio ambiente, como el de las estaciones de radio cercanas, la electrónica en todo el edificio encendiéndose y apagándose, e incluso las luces LED en las computadoras y la electrónica, todo lo cual podría generar campos magnéticos competitivos.
El equipo resolvió el primer problema colgando todo el artilugio, usando un hilo tan delgado como el hilo dental. El segundo problema se resolvió mediante una combinación de blindaje superconductor frío y blindaje cálido alrededor del exterior del experimento.
"Podríamos finalmente tomar datos, y había una región dulce en la que estábamos por encima de las vibraciones de la nevera, y por debajo del ruido ambiental probablemente proveniente de nuestros vecinos, en el que podíamos hacer el experimento".
Los investigadores primero realizaron una serie de pruebas para confirmar que el experimento funcionaba y exhibía campos magnéticos con precisión. La prueba más importante fue la inyección de un campo magnético para simular un axión falso y ver que el detector del experimento produjera la señal esperada- indicando que si un axión real interactuara con el experimento, se detectaría. En este punto, el experimento estaba listo para funcionar.
"Si tomas los datos y los ejecutas a través de un programa de audio, puedes escuchar los sonidos que hace el refrigerador", dice Winslow. "También vemos otros ruidos que se activan y desactivan, de alguien de al lado haciendo algo, y luegoese ruido desaparece. Y cuando miramos este punto dulce, se mantiene unido, entendemos cómo funciona el detector y se vuelve lo suficientemente silencioso como para escuchar los axiones ".
Al ver el enjambre
En 2018, el equipo llevó a cabo la primera ejecución de ABRACADABRA, muestreando continuamente entre julio y agosto. Después de analizar los datos de este período, no encontraron evidencia de axiones dentro del rango de masa de 0.31 a 8.3 nanoelectronvoltios que cambien la electricidad y el magnetismo en másde una parte en 10 mil millones.
El experimento está diseñado para detectar axiones de masas aún más pequeñas, hasta aproximadamente 1 femtoelectronvoltios, así como axiones tan grandes como 1 microelectronvoltios.
El equipo continuará ejecutando el experimento actual, que es aproximadamente del tamaño de una pelota de baloncesto, para buscar axiones aún más pequeños y más débiles. Mientras tanto, Winslow está en el proceso de descubrir cómo escalar el experimento, al tamaño deun automóvil compacto: dimensiones que podrían permitir la detección de axiones aún más débiles.
"Existe una posibilidad real de un gran descubrimiento en las próximas etapas del experimento", dice Winslow. "Lo que nos motiva es la posibilidad de ver algo que cambiaría el campo. Es física de alto riesgo y alta recompensa."
Esta investigación fue financiada, en parte, por la National Science Foundation, el Departamento de Energía y la Fundación Simons.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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