Nas ultimas decadas, muitos físicos experimentais têm investigado a existência de partículas chamadas axions, que resultaria de um mecanismo específico que eles acham que poderia explicar a contradição entre teorias e experimentos que descrevem uma simetria fundamental. Esta simetria está associada a um desequilíbrio matéria-antimatéria no Universo, refletido nas interações entre as diferentes partículas.

Se este mecanismo ocorreu no início do Universo, tal partícula pode ter uma massa muito pequena e ser "invisível". Posteriormente, pesquisadores propuseram que o áxion também pode ser um candidato promissor para matéria escura, um evasivo, tipo hipotético de matéria que não emite, refletir ou absorver luz.

Embora a matéria escura ainda não tenha sido observada experimentalmente, acredita-se que represente 85% da massa do universo. A detecção de axions pode ter implicações importantes para os experimentos de matéria escura em andamento, uma vez que poderia aumentar a compreensão atual dessas partículas indescritíveis.

Pesquisadores do Institute for Basic Science (IBS) realizaram recentemente uma pesquisa por matéria escura de axion invisível usando um haloscópio de cavidade de múltiplas células que eles projetaram (ou seja, um instrumento para observar halos, parélia, e outros fenômenos físicos semelhantes). Seus resultados foram comparados favoravelmente aos de pesquisas anteriores de matéria escura de axions baseadas em haloscópios, destacando o potencial do instrumento que eles criaram para pesquisas de matéria escura e outras pesquisas de física.

"O axião é detectável na forma de um fóton de microondas em que é convertido na presença de um forte campo magnético, "SungWoo Youn, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Um haloscópio de cavidade, normalmente empregando um ressonador cilíndrico colocado em um solenóide para utilizar a ressonância para aumentar o sinal, é a abordagem mais sensível para sondar os modelos teóricos bem estabelecidos. "

Embora os haloscópios de cavidade possam ser ferramentas promissoras para a detecção de axions, eles geralmente são muito sensíveis a frequências relativamente baixas. Isso ocorre principalmente porque as frequências ressonantes são inversamente proporcionais ao raio da cavidade, o que reduz o volume de detecção para pesquisas de alta frequência.

Esta é uma das razões pelas quais a busca axion mais sensível realizada até agora, a saber, o Axion Dark Matter eXperiment (ADMC) da Universidade de Washington, definir limites experimentais abaixo de 1 GHz. Uma das maneiras possíveis de evitar essa perda de volume seria agrupar muitas cavidades menores e combinar sinais individuais, para garantir que todas as frequências e fases estejam sincronizadas.

"Este sistema de cavidades múltiplas foi proposto anteriormente, mas não foi abordado com sucesso, devido aos efeitos sobre a confiabilidade e aumento da complexidade da operação do sistema, "Youn disse." Nossa equipe do Centro de Pesquisa em Física de Precisão e Axion (CAPP) do IBS, localizado no Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) na Coreia do Sul, conduzido por mim mesmo, assim desenvolveu um novo design de cavidade, a chamada cavidade de múltiplas células. "

O haloscópio de cavidade projetado por Youn e seus colegas é caracterizado por múltiplas partições que dividem verticalmente o volume de sua cavidade em células idênticas. Este design exclusivo aumenta as frequências ressonantes com uma perda mínima de volume. Os pesquisadores também garantiram que as partições situadas no meio da cavidade fossem separadas por uma lacuna.

"Ao tornar todas as células espacialmente conectadas, nosso design permite que uma única antena capte o sinal de todo o volume e, assim, simplifica significativamente a estrutura da cadeia do receptor, "Youn explicou." A lacuna de tamanho ideal também permite que o sinal induzido pelo axião seja distribuído uniformemente no espaço, que maximiza o volume efetivo independentemente da tolerância de usinagem e desalinhamento mecânico na construção da cavidade. Eu batizei esse design de cavidade de "cavidade de pizza" e comparei a lacuna com uma proteção de pizza, que mantém as fatias intactas com suas coberturas originais. "

O haloscópio que os pesquisadores usaram para conduzir seu experimento é o resultado de aproximadamente dois anos de pesquisas baseadas em simulações, seguido pela fabricação de vários protótipos. Em seu estudo recente, foi usado para realizar uma pesquisa de matéria escura de axion utilizando um ímã supercondutor 9T a uma temperatura de 2 kelvin (−271 ° C). Isso permitiu que os pesquisadores varressem rapidamente uma faixa de frequência de> 200 MHz acima de 3 GHz, que é 4 ~ 5 vezes maior do que o coberto pelo experimento ADMX.

"Mesmo que não tenhamos observado nenhum sinal semelhante ao axião, demonstramos com sucesso que a cavidade de múltiplas células seria capaz de detectar sinais de alta frequência com alto desempenho e confiabilidade, "Youn disse." Também calculamos que, devido ao maior volume e maior eficiência, este novo projeto de cavidade pode nos permitir explorar a faixa de frequência dada 4 vezes mais rápido do que o convencional. Costumo fazer uma declaração bem-humorada, mas significativa:"Se um experimento tradicional leva 4 anos para sondar algo, nosso experimento levará apenas 1 ano. Nosso Ph.D. os alunos podem se formar muito mais rápido do que outros. '"

O estudo realizado por Youn e seus colegas prova o valor e o potencial do haloscópio para cavidade de pizza que eles desenvolveram para realizar pesquisas invisíveis de matéria escura em regiões de alta frequência. No futuro, assim, poderia ajudar na busca por esse tipo indescritível de matéria e, algum dia, talvez até possibilitar sua detecção.

"Atualmente, nosso centro também está se preparando para experimentos enxertando várias cavidades de pizza nos sistemas existentes para procurar áxions de frequência ainda mais alta, "Youn adicionou.

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