p ADMX, com sua sensibilidade líder mundial, descartou axions de uma certa faixa de massa como matéria escura. p Axions são um candidato hipotético para a matéria escura que compõe a maior parte da massa de nossa galáxia, a Via Láctea. O experimento Axion Dark Matter procura axions "invisíveis" vindos de nossa galáxia que se convertem em partículas detectáveis ​​de luz, chamados fótons, dentro do poderoso campo magnético do experimento.

p "Quando você procura por uma nova partícula como um áxion, você está explorando interações que resultam em partículas conhecidas, como fótons, "disse Rakshya Khatiwada, Pesquisador associado do Fermilab que liderou o desenvolvimento de detectores de baixo ruído para ADMX nos últimos quatro anos.

p Fermilab é o laboratório DOE líder para ADMX, que é hospedado pela Universidade de Washington. O Fermilab é financiado pelo Departamento de Energia Office of Science.

p Dentro da ADMX, um ímã supercondutor gera um campo magnético que transformaria axions indetectáveis ​​em fótons. Dentro desse campo fica um detector que pode ser sintonizado em diferentes frequências correspondentes a sinais de axions de diferentes massas provenientes do halo de matéria escura na Via Láctea, semelhante a como um rádio sintoniza em uma estação de rádio.

p Se você pudesse esticar uma régua de uma extremidade da Via Láctea visível até a outra, mediria cerca de 100, 000 anos-luz de diâmetro, o que significa que levaria a luz - a coisa mais rápida do universo - muitos anos para viajar de uma ponta a outra. Para perspectiva, a luz leva apenas oito minutos para viajar do sol à Terra.

p Mas o tamanho real da nossa galáxia pode ser ainda maior do que isso.

p Os cientistas acreditam que uma nuvem esférica de matéria escura - um halo de matéria escura - envolve quase todas as galáxias. Esta matéria escura galáctica seria mais densa no centro da galáxia, com densidade decrescente à medida que se move para fora. A Terra tem cerca de 25, 000 anos-luz do centro da Via Láctea, portanto, os físicos podem prever qual deve ser a densidade local da matéria escura.

p A existência de matéria escura foi proposta pela primeira vez em 1933 com base no movimento do aglomerado de galáxias Coma. O cientista Fritz Zwicky calculou que, dada a forma como as galáxias perto da borda do aglomerado estavam se movendo, o aglomerado deveria ter muito mais massa do que a observada. Para explicar a aparente falta de massa suficiente, ele propôs que alguma matéria adicional - matéria escura - deveria estar em ação. A evidência da matéria escura desde então se acumulou, mas os cientistas ainda precisam detectar diretamente os blocos de construção dessa matéria invisível em laboratório.

p O desafio de encontrar matéria escura é que muito raramente ela interage com a matéria comum. Para comparação, veja o neutrino - uma partícula conhecida que já foi considerada candidata à matéria escura. Os neutrinos são famosos por suas interações muito fracas - cerca de 100 bilhões passam pela ponta do seu polegar a cada segundo. Eles navegam através de você sem você, ou seu corpo, sempre percebendo. E ainda, cientistas descobriram como construir experimentos para detectar neutrinos. O fato de ainda não termos detectado matéria escura significa que suas interações são ainda mais fracas e que precisamos de experimentos ainda mais sensíveis para detectá-las.

p Se encontrado, axions também resolveria outro enigma da física:o problema da forte paridade de carga.

p Em 1977, os físicos Helen Quinn e Roberto Peccei propuseram um novo modelo para explicar porque as interações fortes não violam a simetria de paridade de carga (CP). Pouco depois, dois outros físicos (e mais tarde vencedores do Prêmio Nobel) Frank Wilczek e Steven Weinberg perceberam que o modelo de Peccei e Quinn previa a existência de uma nova partícula, o axion, e mais tarde percebeu-se que os axions podiam ser a matéria escura. O forte problema de CP é complexo, mas tem essencialmente o mesmo problema que a astrofísica tem sem matéria escura:Teoria e observação, relativos ao modelo padrão de física, não combinam. Tal como acontece com a matéria escura, este enigma significa que há algo que os cientistas ainda não entenderam completamente sobre a natureza.

p O potencial para responder a duas grandes questões da física de uma vez torna os áxions populares para pesquisar partículas.

p Em 2017, ADMX operou com a maior sensibilidade de qualquer experimento axion até o momento. Ao fazer isso, excluiu uma gama de massas axion possíveis.

p Agora, a colaboração ADMX divulgou seus resultados mais recentes com base em dados obtidos em 2018. Os novos resultados excluem ainda outra faixa de massa, quatro vezes mais largo que o primeiro, mantendo o mesmo grau de sensibilidade excepcional.

p "Este resultado é o melhor que pode ser obtido para os áxions na faixa de massa à qual o ADMX é sensível, "Khatiwada disse." O que é incrivelmente valioso, porque estamos dizendo, com um grau maior de certeza do que nunca de que axions não existem lá. "

p Descobertas científicas, especialmente de partículas que muito raramente interagem com a matéria, confie neste processo de eliminação. O bóson de Higgs, por exemplo, foi descoberto pelo LHC em 2012, quase 50 anos depois de ter sido proposto pela primeira vez. Sem as restrições do Grande Colisor Eletron-Pósitron do CERN e do Tevatron do Fermilab sobre quais massas seriam possíveis para a partícula indescritível, os experimentos do LHC não sabiam exatamente onde olhar. Sem definir restrições, é virtualmente impossível encontrar novos, partículas de interação fraca.

p Com ambos os resultados, ADMX descartou a possibilidade de axions existirem com massa entre 2,66 e 3,33 milionésimos de um elétron-volt em energia. Para comparação, a massa do elétron é 511, 000 elétronvolts.

p Com mais dados e sua excelente sensibilidade, O ADMX será capaz de descobrir se axions existem ou descartá-los em uma faixa muito mais ampla de massas.

p A ADMX iniciará outra corrida de coleta de dados este ano para explorar a faixa acima de 3,33 milionésimos de um elétron-volt. E só aumentará sua sensibilidade a eixos com novos e futuros avanços na redução de ruído de fundo.

p "É surreal ajudar a construir e operar um experimento único no mundo, "disse Khatiwada." É realmente gratificante ver todos, desde estudantes de graduação e pós-doutorandos até cientistas e professores, trabalharem valendo a pena. "