Los científicos en el Experimento de Materia Oscura de Axión han
demostrado una tecnología que podría conducir al descubrimiento de las teóricas
partículas de materia oscura llamadas axiones.
Desde hace cuarenta años que los científicos teorizan 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 esta partícula;
el Axión.
Durante la presente semana, el Experimento Axión Dark Matter [Axion Dark Matter EXperiment – ADMX]- dio a conocer un nuevo resultado, el cual fue 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” los signos reveladores de estas teóricas partículas.
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 al ADMX escuchar axiones más
cerca que cualquier experimento que se haya construido.
El ADMX es administrado por el Fermi National Accelerator Laboratory del
Departamento de Energía de los EE.UU. Y está ubicado en la Universidad de
Washington. Este nuevo resultado, el primero de la serie de segunda generación
del ADMX, establece límites en un pequeño rango de frecuencia donde los axiones
pueden estar ocultos, y prepara el escenario para la búsqueda más amplia en los
próximos años.
“Este resultado marca el
comienzo de la verdadera búsqueda de axiones”, dice Andrew Sonnenschein del Fermilab, Gerente de Operaciones del ADMX,
“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 las galaxias se mantienen unidas por una gran
cantidad de axiones, partículas de baja masa que son casi invisibles a su
detección mientras fluyan a través del cosmos. Los esfuerzos en la década de
1980 para encontrar estas partículas, nombradas por el teórico Frank Wilczek,
actualmente del Instituto de Tecnología de Massachusetts, no tuvieron éxito, lo
que demuestra que su detección sería extremadamente difícil.
El 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 del Axión.
Los axiones casi nunca interactúan con la materia, pero con la ayuda de
un campo magnético fuerte y caja reflectante fría, oscura y correctamente
ajustada, el ADMX podrá “oír” los fotones creados cuando los axiones se
convierten en ondas electromagnéticas dentro del detector.
“Si pensamos en una radio AM, es
exactamente así”, dice Gray Rybka, co-vocero del 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 la correcta”.
Enlace vídeo: “Listening for DarkMatter with ADMX”
Este método de detección, que podría hacer visible el “axión invisible”,
fue inventado por Pierre Sikivie de la Universidad de Florida en 1983.
Experimentos y análisis pioneros por una colaboración del Fermilab, la
Universidad de Rochester y el Laboratorio Nacional de Brookhaven, así como científicos
en la Universidad de Florida, demostró 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, 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, permitiendo que
el experimento alcance una sensibilidad sin precedentes. Las ejecuciones
anteriores del 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 sencilla: 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 del ADMX usaron amplificadores de transistor
estándar, pero luego los científicos del ADMX se conectaron con John Clarke, un
profesor de la Universidad de California en Berkeley, quién 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
como para que la señal, si el ADMX descubre uno, pasará alto y claro.
“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”, dice
Gianpaolo Carosi, co-portavoz de ADMX y científico del Laboratorio Nacional
Lawrence Livermore.
“Este resultado planta una
bandera”, dice Leslie Rosenberg, profesora de
la Universidad de Washington y directora científica del 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”.
El ADMX ahora probará millones de frecuencias en este nivel de
sensibilidad. Si se encontraran axiones, sería un gran descubrimiento 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”, dice el
científico Aaron Chou del 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”.
Fuente: SYMMETRY Magazine 04. abril.2018 – Artículo basado en un Comunicado
de prensa del Fermilab: ADMX announce…”
Glosario: AXIÓN
El Axión
es una partícula subatómica peculiar; su existencia fue postulada por la Teoría
de Peccei-Quinn en 1977 para explicarla conservación de la simetría CP en el
marco de la cromodinámica cuántica, suponiendo que sería una partícula de masa
muy pequeña y sin carga eléctrica.
El nombre
fue introducido por Frank Wilczek,
coescritor del primer artículo que predijo el axión. Wilczek buscaba un nombre para la partícula, y mientras
lavaba la ropa, se fijó en el nombre del detergente que estaba usando,
"Axion", y decidió ponerle ese nombre a la partícula, ya que esperaba
que "limpiara" el problema de la QCD con la simetría CP.
En cosmología, el axión se
considera un buen candidato para resolver el problema de la materia oscura. Crédito: Wikipedia
Traducción libre de Soca
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