Quarenta anos atrás, os cientistas teorizaram um novo tipo de partícula de baixa massa que poderia resolver um dos mistérios duradouros da natureza:de que é feita a matéria escura. Agora, um novo capítulo na busca por essa partícula começou.

Esta semana, o Axion Dark Matter Experiment (ADMX) revelou um novo resultado, publicado em Cartas de revisão física , isso o coloca em uma categoria de um:é o primeiro e único experimento do mundo a ter alcançado a sensibilidade necessária para "ouvir" os sinais reveladores dos áxions de matéria escura. Este avanço tecnológico é o resultado de mais de 30 anos de pesquisa e desenvolvimento, com a última peça do quebra-cabeça chegando na forma de um dispositivo habilitado para quantum que permite ao ADMX ouvir os áxions mais de perto do que qualquer experimento já construído.

A ADMX é gerenciada pelo Laboratório Nacional de Aceleração Fermi do Departamento de Energia dos EUA e localizada na Universidade de Washington. Este novo resultado, o primeiro da segunda geração do ADMX, estabelece limites em uma pequena faixa de frequências onde os áxions podem estar escondidos e prepara o terreno para uma pesquisa mais ampla nos próximos anos.

"Este resultado sinaliza o início da verdadeira caça aos axions, "disse o cientista do Fermilab Andrew Sonnenschein, o gerente de operações da ADMX. "Se axions de matéria escura existem dentro da banda de frequência, estaremos sondando nos próximos anos, então é apenas uma questão de tempo antes de encontrá-los. "

Uma teoria sugere que a matéria escura que mantém as galáxias unidas pode ser composta por um vasto número de partículas de baixa massa, que são quase invisíveis à detecção enquanto fluem pelo cosmos. Esforços na década de 1980 para encontrar esta partícula, nomeado o axion pelo teórico Frank Wilczek, atualmente do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, não tiveram sucesso, mostrando que sua detecção seria extremamente desafiadora.

ADMX é um haloscópio axion - essencialmente um grande, receptor de rádio de baixo ruído, que os cientistas sintonizam em diferentes frequências e ouvem para encontrar a frequência do sinal axion. Os axions quase nunca interagem com a matéria, mas com a ajuda de um forte campo magnético e um frio, Sombrio, devidamente ajustado, caixa reflexiva, O ADMX pode "ouvir" fótons criados quando os áxions se convertem em ondas eletromagnéticas dentro do detector.

"Se você pensa em um rádio AM, é exatamente assim, "disse Gray Rybka, co-porta-voz da ADMX e professor assistente da Universidade de Washington. "Construímos um rádio que procura uma estação de rádio, mas não sabemos sua freqüência. Giramos o botão lentamente enquanto ouvimos. Idealmente, ouviremos um tom quando a frequência estiver certa. "

Este método de detecção, o que pode tornar o "axião invisível" visível, foi inventado por Pierre Sikivie da Universidade da Flórida em 1983, assim como a noção de que halos galácticos poderiam ser feitos de axions. Experimentos e análises pioneiros com a colaboração do Fermilab, a Universidade de Rochester e o Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, bem como cientistas da Universidade da Flórida, demonstrou a praticidade do experimento. Isso levou à construção, no final da década de 1990, de um detector de grande escala no Laboratório Nacional Lawrence Livermore do Departamento de Energia dos EUA, que é a base do atual ADMX.

Foi apenas recentemente, Contudo, que a equipe ADMX foi capaz de implantar amplificadores quânticos supercondutores em todo o seu potencial, permitindo que o experimento alcance uma sensibilidade sem precedentes. As execuções anteriores do ADMX foram bloqueadas pelo ruído de fundo gerado pela radiação térmica e pela própria eletrônica da máquina.

Corrigir o ruído da radiação térmica é fácil:um sistema de refrigeração resfria o detector até 0,1 Kelvin (aproximadamente menos 460 graus Fahrenheit). Mas eliminar o ruído da eletrônica revelou-se mais difícil. As primeiras execuções do ADMX usaram amplificadores de transistor padrão, mas depois de se conectar com John Clarke, um professor da Universidade da Califórnia, Berkeley, Clarke desenvolveu um amplificador limitado por quantum para o experimento. Esta tecnologia muito mais silenciosa, combinado com a unidade de refrigeração, reduz o ruído em um nível significativo o suficiente para que o sinal, deve ADMX descobrir um, virá alto e claro.

"As versões iniciais deste experimento, com amplificadores baseados em transistores, levaria centenas de anos para fazer a varredura da faixa mais provável de massas dos áxions. Com os novos detectores supercondutores, podemos pesquisar o mesmo intervalo em escalas de tempo de apenas alguns anos, "disse Gianpaolo Carosi, co-porta-voz da ADMX e cientista do Lawrence Livermore National Laboratory.

"Este resultado finca uma bandeira, "disse Leslie Rosenberg, professor da Universidade de Washington e cientista-chefe da ADMX. "Isso mostra ao mundo que temos sensibilidade, e tem uma ótima chance de encontrar o áxion. Nenhuma nova tecnologia é necessária. Não precisamos mais de um milagre, só precisamos de tempo. "

O ADMX agora testará milhões de frequências neste nível de sensibilidade. Se axions forem encontrados, seria uma grande descoberta que poderia explicar não apenas a matéria escura, mas outros mistérios remanescentes do universo. Se ADMX não encontrar axions, isso pode forçar os teóricos a conceber novas soluções para esses enigmas.

"Uma descoberta pode acontecer a qualquer momento nos próximos anos, "disse o cientista Aaron Chou, do Fermilab." Foi um longo caminho para chegar a este ponto, mas estamos prestes a começar o momento mais emocionante nesta busca contínua por axions. "