Graças aos amplificadores quânticos supercondutores de baixo ruído inventados na Universidade da Califórnia, Berkeley, os físicos agora estão embarcando na busca mais sensível até agora por axions, um dos principais candidatos da atualidade para matéria escura.

O Axion Dark Matter Experiment (ADMX) relatou resultados hoje mostrando que é o primeiro e único experimento do mundo a ter alcançado a sensibilidade necessária para "ouvir" os sinais reveladores dos axions de matéria escura.

O marco 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 quântico que permite ao ADMX ouvir os áxions com mais atenção do que qualquer experimento já construído.

John Clarke, um professor de física na escola de pós-graduação na UC Berkeley e um pioneiro no desenvolvimento de detectores magnéticos sensíveis chamados SQUIDs (dispositivos de interferência quântica supercondutores), desenvolveu o amplificador há duas décadas. Cientistas ADMX, com a contribuição de Clarke, agora o incorporaram ao detector ADMX da Universidade de Washington, Seattle, e estão prontos para começar.

"ADMX é uma máquina complicada e bastante cara, então demorou um pouco para construir um detector adequado para que pudessem colocar o amplificador SQUID nele e demonstrar que funcionava como anunciado. O que aconteceu, "Clarke disse.

A equipe ADMX publicou seus resultados online hoje no jornal Cartas de revisão física .

"Este resultado sinaliza o início da verdadeira caça aos axions, "disse Andrew Sonnenschein do Laboratório Nacional de Aceleração Fermi (Fermilab) em Batávia, Illinois, 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. "

Matéria escura:MACHOs, WIMPs ou axions?

A matéria escura é a falta de 84 por cento da matéria no universo, e os físicos têm procurado extensivamente por muitos candidatos possíveis, objetos compactos de halo proeminentemente maciços, ou MACHOs, e partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs. Apesar de décadas de busca por MACHOs e WIMPs, os cientistas desistiram; eles podem ver os efeitos da matéria escura no universo, em como as galáxias e estrelas dentro das galáxias se movem, mas eles não podem ver a própria matéria escura.

Axions estão se tornando a alternativa preferida, em parte porque sua existência também resolveria problemas com o modelo padrão da física de partículas hoje, incluindo o fato de que o nêutron deve ter um momento de dipolo elétrico, mas não faz.

Como outros candidatos à matéria escura, axions estão em toda parte, mas são difíceis de detectar. Porque eles interagem com a matéria comum tão raramente, eles fluem através do espaço, mesmo passando pela Terra, sem "tocar" a matéria comum. ADMX emprega um forte campo magnético e um sintonizado, caixa reflexiva para encorajar áxions a se converterem em fótons de frequência de micro-ondas, e usa o amplificador quântico para "ouvi-los". Tudo isso é feito na temperatura mais baixa possível para reduzir o ruído de fundo.

Clarke soube de um obstáculo fundamental para a ADMX em 1994, ao se encontrar com o físico Leslie Rosenberg, agora professor da Universidade de Washington e cientista-chefe da ADMX, e Karl van Bibber, agora presidente do Departamento de Engenharia Nuclear da UC Berkeley. Porque o sinal do axion seria muito fraco, qualquer detector teria que ser muito frio e "silencioso". Ruído de calor, ou radiação térmica, é fácil de eliminar, resfriando o detector até 0,1 Kelvin, ou cerca de 460 graus abaixo de zero Fahrenheit. Mas eliminar o ruído dos amplificadores transistor semicondutores padrão provou ser difícil.

Eles perguntaram a Clarke, os amplificadores SQUID resolveriam este problema?

Os amplificadores supercold reduzem o ruído ao limite absoluto

Embora ele tivesse construído amplificadores SQUID que funcionavam em frequências de até 100 MHz, nenhum funcionou nas frequências gigahertz necessárias, então ele começou a trabalhar para construir um. Em 1998, ele e seus colaboradores resolveram o problema, graças em grande parte ao financiamento inicial da National Science Foundation e ao subseqüente financiamento do Departamento de Energia (DOE) por meio do Lawrence Berkeley National Laboratory. Os amplificadores no ADMX foram financiados pelo DOE por meio da Universidade de Washington.

Clarke e seu grupo mostraram que, resfriado a temperaturas de dezenas de miliKelvin acima do zero absoluto, o amplificador Microstrip SQUID (MSA) poderia atingir um ruído que era quantum limitado, isso é, limitado apenas pelo Princípio da Incerteza de Heisenberg.

"Você não pode fazer melhor do que isso, "Clarke disse.

Esta tecnologia muito mais silenciosa, combinado com a unidade de refrigeração, reduziu o ruído por um fator de cerca de 30 a 600 MHz de modo que um sinal do áxion, se houver um, deve vir alto e claro. O MSA atualmente em operação no ADMX foi fabricado por Gene Hilton no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Boulder, Colorado, e testado, calibrado e embalado por Sean O'Kelley, um estudante de pós-graduação no grupo de pesquisa de Clarke na UC Berkeley.

A equipe ADMX planeja sintonizar lentamente milhões de frequências na esperança de ouvir um tom claro dos fótons produzidos pelo decaimento do áxion.

"Este resultado finca uma bandeira, "disse Rosenberg." Isso mostra ao mundo que temos a 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. "

Clarke observou também que a alta frequência, amplificadores quânticos SQUID de baixo ruído que ele inventou para ADMX, desde então, têm sido empregados em outra área quente da física, para ler os bits quânticos supercondutores, ou qubits, para computadores quânticos do futuro.