Pesquisadores do Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP), dentro do Institute for Basic Science (IBS, Coreia do Sul), relataram os primeiros resultados de sua pesquisa de axions, Enganoso, partículas ultraleves consideradas candidatas à matéria escura. O IBS-CAPP está localizado no Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST). Publicado em Cartas de revisão física , a análise combina dados obtidos ao longo de três meses com um novo aparato de caça aos axions desenvolvido nos últimos dois anos.

Provar a existência de axions poderia resolver dois dos maiores mistérios da física moderna de uma vez:por que as galáxias orbitando dentro de aglomerados de galáxias estão se movendo muito mais rápido do que o esperado, e por que duas forças fundamentais da natureza seguem regras de simetria diferentes. O primeiro enigma foi levantado na década de 1930, e foi confirmado na década de 1970, quando astrônomos notaram que a massa observada da galáxia da Via Láctea não poderia explicar a forte atração gravitacional experimentada pelas estrelas nas galáxias. O segundo enigma, conhecido como o forte problema de CP, foi apelidado pela revista Forbes como "o quebra-cabeça mais subestimado de toda a física" em 2019.

A simetria é um elemento importante da física de partículas e CP refere-se à simetria de carga + paridade, onde as leis da física são as mesmas se as partículas são trocadas com suas antipartículas correspondentes (C) em suas imagens no espelho (P). No caso da força forte, que é responsável por manter os núcleos juntos, A violação de CP é permitida teoricamente, mas nunca foi detectado, mesmo nas experiências mais sensíveis. Por outro lado, A simetria CP é violada teoricamente e experimentalmente na força fraca, que está por trás de alguns tipos de decaimentos radioativos. Em 1977, os físicos teóricos Roberto Peccei e Helen Quinn propuseram a simetria Peccei-Quinn como uma solução teórica para este problema, e dois ganhadores do Nobel de Física, Frank Wilczek e Steven Weinberg, mostraram que a simetria Peccei-Quinn resulta em uma nova partícula:o axion. A partícula foi nomeada em homenagem a um detergente americano, porque deve limpar a bagunça de interações fortes.

Atualmente, estima-se que 85% da matéria do universo consiste em matéria escura, o que é imperceptível. A matéria escura fornece massa suficiente para impedir que o sol saia da Via Láctea, mas não é visível em condições normais. Em outras palavras, espera-se que áxions estejam presentes em grande quantidade no Universo, mas mal interagir com as partículas que nos são familiares.

De acordo com as previsões e a regra de ouro de Fermi, um axião se transforma espontaneamente em duas partículas detectáveis ​​(fótons) a uma taxa extremamente baixa, e essa conversão pode ser mais rápida em um ambiente onde um dos fótons já está presente. Em experimentos, esse papel é desempenhado por um forte campo magnético, que fornece fótons de todos os níveis de energia (virtualmente), acelerando o processo tremendamente.

Para facilitar a conversão de axião em fóton, Os pesquisadores do IBS usaram seu haloscópio CAPP-8TB customizado. Este instrumento possui um ímã supercondutor em forma de cilindro com um diâmetro livre de 165 mm e um campo magnético central de 8 Tesla. O sinal dos fótons gerados pelo axião é amplificado em uma cavidade ressonante. Se a frequência certa for escolhida, os fótons ressonariam na cavidade e marcariam sua presença com um pequeno flash. A equipe precisaria detectar cerca de 100 fótons de microondas por segundo para fazer uma declaração confiante.

"Este experimento não é um sprint de 100 metros, mas o primeiro gol em uma maratona. Aprendemos fazendo, e testamos novos conceitos para serem usados ​​em sistemas de nível superior no futuro, "explica Yannis K. Semertzidis, o diretor do Centro e também professor da KAIST.

Nesta execução experimental, a equipe procurou áxions com uma massa entre 6,62 e 6,82 μeV, correspondendo à frequência entre 1,6 e 1,65 GHz, uma faixa que foi selecionada pela cromodinâmica quântica. Os pesquisadores mostraram experimentalmente com um nível de confiança de 90%, o resultado mais sensível na faixa de massa até o momento, que não há matéria escura axion ou partícula semelhante a axion dentro desse intervalo. Desta maneira, O CAPP-8TB ocupa seu lugar entre outros experimentos de caça ao axion que examinam várias massas possíveis. Além disso, este é o único experimento nessa faixa de massa que chega perto da sensibilidade exigida de acordo com os dois modelos teóricos mais famosos sobre axions:o modelo KSVZ e o modelo DFSZ. As letras são abreviaturas que se referem aos cientistas que as propuseram.

"Provamos que podemos alcançar uma sensibilidade muito melhor do que todos os outros experimentos nessa faixa de frequência e que estamos prontos para ampliar nossa pesquisa com sistemas maiores. Nosso objetivo é estar no topo de nosso campo pelos próximos 10 anos. É por isso que É tão emocionante, "diz o pesquisador de engenharia Soohyung Lee, o primeiro autor do estudo.

A faixa de massa é determinada pelo diâmetro da cavidade. Um diâmetro maior pode pesquisar uma região de massa inferior e vice-versa. Uma vez que a cavidade ressonante do CAPP-8TB é colocada dentro do orifício claro do ímã supercondutor, Os pesquisadores do IBS projetaram uma cavidade cilíndrica de cobre sintonizável como um ressonador com o volume máximo disponível.

Além da cavidade, o haloscópio CAPP-8TB possui uma série de tecnologias de ponta, incluindo um refrigerador de diluição criogênica atingindo –273 graus Celsius (apenas cerca de 50 mK acima do zero absoluto), um ímã supercondutor com um forte campo magnético, eletrônica de micro-ondas de baixo ruído e amplificadores de última geração.

O plano é procurar axions ajustando o haloscópio em uma frequência de 1 a 10 GHz, e mais tarde de 10 a 25 GHz usando um ímã mais poderoso com grande volume, implementando todas as suas invenções. A busca por axions continua sem parar.