A colaboração ADMX, um grupo de pesquisadores trabalhando em universidades nos EUA e na Europa, realizou recentemente uma nova pesquisa por matéria escura de axioes invisíveis usando um haloscópio de cavidade e um amplificador paramétrico Josephson de baixo ruído. Haloscópios de cavidade são instrumentos sensíveis projetados para detectar e estudar halos em torno de corpos luminosos ou outros fenômenos físicos. Amplificadores paramétricos Josephson, por outro lado, são ferramentas tecnológicas que podem ser usadas para manipular estados quânticos de campos de luz de microondas.

Em seu artigo recente, publicado em Cartas de revisão física , os pesquisadores procuraram por axions de matéria escura no halo galáctico com uma massa variando entre 2,81–3,31 μeV. Os resultados desta pesquisa podem ajudar a descartar previsões teóricas anteriores, informando a futura busca por matéria escura de axion invisível.

"Nossa pesquisa recente foi motivada por dois mistérios diferentes da física, ambos seriam resolvidos com a detecção de matéria escura de axion, "Nick Du, pesquisador da Universidade de Washington e co-autor do artigo recente, disse a Phys.org. "O primeiro deles é o mistério da matéria escura."

Estudos de física anteriores encontraram evidências de que o que normalmente pensamos como matéria representa apenas cerca de 15% da massa total do universo. Os 85% restantes são considerados compostos de partículas que não absorvem, emitir ou refletir luz, e, portanto, não pode ser detectado usando técnicas tradicionais para estudar a matéria.

Este material não luminoso, conhecido como matéria escura, continua sendo um dos maiores mistérios da física contemporânea, pois os pesquisadores ainda não têm certeza se ele existe e do que é feito. Embora já tenha havido inúmeras pesquisas por matéria escura usando uma variedade de instrumentos, este misterioso material até agora nunca foi observado ou detectado.

"Uma solução possível para o que poderia ser a matéria escura vem de outro campo da física, ou seja, física nuclear, na forma de outro mistério conhecido como o problema de CP forte, "Du explicou." Uma solução popular para o problema de CP forte prevê a existência de uma nova partícula conhecida como axion, e as propriedades do áxion o tornam um candidato convincente para matéria escura. Ao olhar a matéria escura do axião, a colaboração da ADMX espera resolver o problema do CP forte e o mistério quanto à natureza da matéria escura. "

O haloscópio de cavidade usado por Du e seus colegas consiste em uma cavidade ressonante colocada dentro de um grande campo magnético. De acordo com as previsões teóricas, os axions de matéria escura no halo galáctico devem se acoplar ao campo magnético na cavidade e produzir fótons.

O número de fótons produzidos é provavelmente muito pequeno, tornando o sinal resultante muito difícil de detectar. Ajustando a cavidade ressonante dentro do haloscópio axiônico para a mesma frequência dos fótons, Contudo, o número de fótons produzidos pelo halo galáctico pode ser aumentado.

"De certa forma, nossa busca por matéria escura axion é bastante semelhante a como um rádio opera, "Du disse." À medida que a frequência de um rádio é sintonizada, pode-se ouvir em diferentes estações de rádio. A esse respeito, nosso experimento é semelhante, exceto que não sabemos a frequência da nossa estação de rádio e o sinal é muito mais fraco. "

A busca por axions de matéria escura está em andamento há várias décadas, e Du e seus colegas já realizaram várias dessas pesquisas usando seu haloscópio de cavidade. Embora eles tenham sido incapazes de detectar axions invisíveis, os resultados de seu experimento recente excluem uma gama de massas de axion que foram previamente previstas por modelos teóricos de referência de matéria escura de axion.

"Esta é na verdade a segunda vez que nosso experimento alcançou essa sensibilidade à matéria escura de axion, mas desta vez, triplicamos o intervalo que cobrimos em nosso estudo anterior, "Du disse." Alcançando e expandindo essa sensibilidade, mostramos que na busca contínua pela matéria escura dos axiões, ADMX representa uma das melhores esperanças de encontrá-lo. "

As observações coletadas por Du e seus colegas podem informar pesquisas futuras por axions de matéria escura, enquanto também abre o caminho para novas previsões teóricas. Os pesquisadores agora estão conduzindo uma nova pesquisa de matéria escura de axion em frequências mais altas. Se esta pesquisa também não for bem-sucedida, eles planejam continuar procurando por axions invisíveis em frequências ainda maiores.

"Em frequências mais altas, axion matéria escura torna-se mais difícil de detectar, porque as cavidades convencionais que usaríamos não são mais tão sensíveis aos áxions, "Du disse." No entanto, já temos alguns protótipos interessantes em vigor para contornar isso, como os experimentos que usam uma matriz de múltiplas cavidades para pesquisar a matéria escura axion. "

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