p Físicos do MIT e de outros lugares realizaram a primeira execução de um novo experimento para detectar áxions - partículas hipotéticas que se prevê estarem entre as partículas mais leves do universo. Se eles existem, axions seriam virtualmente invisíveis, ainda inescapável; eles podem constituir quase 85 por cento da massa do universo, na forma de matéria escura. p Axions são particularmente incomuns porque se espera que modifiquem as regras da eletricidade e do magnetismo em um nível mínimo. Em um artigo publicado hoje em Cartas de revisão física , a equipe liderada pelo MIT relata que, no primeiro mês de observações, o experimento não detectou nenhum sinal de axions na faixa de massa de 0,31 a 8,3 nanoeletronvolts. Isso significa que os axions dentro desta faixa de massa, que é equivalente a cerca de um quintilionésimo da massa de um próton, ou não existem ou têm um efeito ainda menor sobre a eletricidade e o magnetismo do que se pensava anteriormente.

p "Esta é a primeira vez que alguém olha diretamente para este espaço axion, "diz Lindley Winslow, investigador principal do experimento e Jerrold R. Zacharias, Professor Assistente de Física de Desenvolvimento de Carreira no MIT. "Estamos entusiasmados por podermos agora dizer, 'Temos uma maneira de olhar aqui, e sabemos como fazer melhor! '"

p Os co-autores do MIT de Winslow incluem o autor principal Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zachary Bogorad, Janet Conrad, Joseph Formaggio, Joseph Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler, e Daniel Winklehner, junto com pesquisadores de outras oito instituições.

p Magnetares e munchkins

p Embora se pense que estão em todo o lado, axions são previstos para serem virtualmente semelhantes a fantasmas, tendo apenas pequenas interações com qualquer outra coisa no universo.

p "Como matéria escura, eles não devem afetar sua vida cotidiana, "Diz Winslow." Mas acredita-se que eles afetam as coisas em um nível cosmológico, como a expansão do universo e a formação de galáxias que vemos no céu noturno. "

p Por causa de sua interação com o eletromagnetismo, teoriza-se que os axions têm um comportamento surpreendente em torno dos magnetares - um tipo de estrela de nêutrons que cria um campo magnético extremamente poderoso. Se axions estiverem presentes, eles podem explorar o campo magnético do magnetar para se converterem em ondas de rádio, que podem ser detectados com telescópios dedicados na Terra.

p Em 2016, um trio de teóricos do MIT elaborou um experimento mental para detectar áxions, inspirado no magnetar. O experimento foi denominado ABRACADABRA, para a abordagem de banda larga / ressonante para a detecção do eixo cósmico com um aparelho de anel de campo B de amplificação, e foi concebido por Thaler, que é professor associado de física e pesquisador do Laboratório de Ciências Nucleares e do Centro de Física Teórica, junto com Benjamin Safdi, em seguida, um MIT Pappalardo Fellow, e o ex-aluno de pós-graduação Yonatan Kahn.

p A equipe propôs um design para um pequeno ímã em forma de donut mantido em uma geladeira em temperaturas um pouco acima do zero absoluto. Sem axions, não deve haver campo magnético no centro do donut, ou, como diz Winslow, "onde o munchkin deveria estar." Contudo, se axions existem, um detector deve "ver" um campo magnético no meio do donut

p Depois que o grupo publicou seu projeto teórico, Winslow, um experimentalista, comece a encontrar maneiras de realmente construir o experimento.

p "Queríamos procurar um sinal de um áxion onde, se nós vemos isso, é realmente o axion, "Winslow diz." Isso é o que foi elegante sobre este experimento. Tecnicamente, se você viu este campo magnético, só poderia ser o axion, por causa da geometria particular em que pensaram. "

p No ponto ideal

p É um experimento desafiador porque o sinal esperado é inferior a 20 atto-Tesla. Para referência, o campo magnético da Terra é de 30 micro-Tesla e as ondas cerebrais humanas são de 1 pico-Tesla. Na construção do experimento, Winslow e seus colegas tiveram que enfrentar dois desafios principais de design, a primeira delas envolvia o refrigerador usado para manter todo o experimento em temperaturas ultracold. O refrigerador incluía um sistema de bombas mecânicas cuja atividade podia gerar vibrações muito leves, que Winslow temia poder mascarar um sinal axion.

p O segundo desafio tinha a ver com o ruído no ambiente, como de estações de rádio próximas, eletrônicos em todo o prédio ligando e desligando, e até luzes de LED nos computadores e eletrônicos, tudo isso poderia gerar campos magnéticos concorrentes.

p A equipe resolveu o primeiro problema pendurando toda a engenhoca, usando um fio tão fino quanto fio dental. O segundo problema foi resolvido por uma combinação de blindagem supercondutora fria e blindagem quente ao redor do experimento.

p "Poderíamos, então, finalmente pegar os dados, e havia uma região doce em que estávamos acima das vibrações da geladeira, e abaixo do ruído ambiental provavelmente proveniente de nossos vizinhos, em que poderíamos fazer o experimento. "

p Os pesquisadores primeiro executaram uma série de testes para confirmar se o experimento estava funcionando e exibindo campos magnéticos com precisão. O teste mais importante foi a injeção de um campo magnético para simular um axion falso, e ver se o detector do experimento produziu o sinal esperado - indicando que se um axion real interagisse com o experimento, seria detectado. Nesse ponto, o experimento estava pronto para ser executado.

p "Se você pegar os dados e executá-los por meio de um programa de áudio, você pode ouvir os sons que a geladeira faz, "Winslow diz." Também vemos outros ruídos acendendo e apagando, de alguém ao lado fazendo algo, e então esse barulho vai embora. E quando olhamos para este ponto ideal, mantém-se unido, entendemos como o detector funciona, e fica quieto o suficiente para ouvir os machados. "

p Vendo o enxame

p Em 2018, a equipe realizou a primeira corrida da ABRACADABRA, amostragem contínua entre julho e agosto. Depois de analisar os dados desse período, eles não encontraram evidências de axions na faixa de massa de 0,31 a 8,3 nanoeletronvolts que alteram a eletricidade e o magnetismo em mais de uma parte em 10 bilhões.

p O experimento é projetado para detectar axions de massas ainda menores, até cerca de 1 femtoeletronvolts, bem como axions tão grandes quanto 1 microeletronvolts.

p A equipe continuará executando o experimento atual, que é do tamanho de uma bola de basquete, para procurar axions ainda menores e mais fracos. Enquanto isso, Winslow está tentando descobrir como aumentar a escala do experimento, do tamanho de um carro compacto - dimensões que poderiam permitir a detecção de eixos ainda mais fracos.

p “Há uma possibilidade real de uma grande descoberta nas próximas etapas do experimento, "Winslow diz." O que nos motiva é a possibilidade de ver algo que mudaria o campo. É de alto risco, física de alta recompensa. "