O Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) na Antimatter Factory do CERN estabeleceu novos limites para a existência de partículas semelhantes a axions, e com que facilidade aqueles em uma faixa estreita de massa em torno de 2,97 neV poderiam se transformar em fótons, as partículas de luz. Novo resultado de BASE, publicado por Cartas de revisão física , descreve este método pioneiro e abre novas possibilidades experimentais na busca de matéria escura fria.

Axions, ou partículas semelhantes a axion, são candidatos à matéria escura fria. A partir de observações astrofísicas, acreditamos que cerca de 27% do conteúdo de matéria-energia do universo é composto de matéria escura. Essas partículas desconhecidas sentem a força da gravidade, mas eles mal respondem às outras forças fundamentais, se é que os experimentam. A teoria mais aceita de forças e partículas fundamentais, chamado de modelo padrão de física de partículas, não contém nenhuma partícula que tenha as propriedades certas para ser matéria escura fria. O resultado relatado pelo BASE investiga esse fundo hipotético de matéria escura presente em todo o universo.

Uma vez que o modelo padrão deixa muitas perguntas sem resposta, físicos propuseram teorias que vão além disso, alguns dos quais explicam a natureza da matéria escura. Entre essas teorias estão aquelas que sugerem a existência de axions ou partículas semelhantes a axions. Essas teorias precisam ser testadas, e muitos experimentos foram realizados em todo o mundo para procurar essas partículas, inclusive no CERN. Pela primeira vez, O BASE transformou as ferramentas desenvolvidas para detectar antiprótons únicos, a antimatéria equivalente a um próton, para a procura de matéria escura. Isso é especialmente significativo porque o BASE não foi projetado para tais estudos.

“O BASE possui sistemas de detecção extremamente sensíveis para estudar as propriedades de antiprótons com armadilhas individuais. Esses detectores também podem ser usados ​​para pesquisar sinais de partículas que não sejam produzidas por antiprótons em armadilhas. Neste trabalho, usamos um de nossos detectores como antena para procurar um novo tipo de partículas semelhantes a axions, "diz Jack Devlin, um pesquisador do CERN trabalhando no experimento.

Em comparação com os grandes detectores instalados no Large Hadron Collider, BASE é um pequeno experimento. Ele está conectado ao desacelerador antipróton do CERN, que o fornece com antiprótons. BASE captura e suspende essas partículas em uma armadilha Penning, um dispositivo que combina campos elétricos e magnéticos fortes. Para evitar colisões com matéria comum, a armadilha é operada a 5 Kelvin (cerca de -268 graus Celsius), uma temperatura na qual pressões excessivamente baixas, semelhantes aos do espaço profundo, são alcançados. Neste ambiente extremamente bem isolado, nuvens de antiprótons presos podem existir por anos a fio. Ajustando cuidadosamente os campos elétricos, os físicos da BASE podem isolar antiprótons individuais e movê-los para uma parte separada do experimento. Nessa região, detectores ressonantes supercondutores muito sensíveis podem captar as minúsculas correntes elétricas geradas por antiprótons individuais à medida que se movem ao redor da armadilha.

No trabalho publicado por Cartas de revisão física , a equipe BASE procurou sinais elétricos inesperados em seus detectores antiprótons sensíveis. No coração de cada detector, há um pequeno aproximadamente 4 cm de diâmetro, bobina em forma de donut de fio supercondutor, que se parece com os indutores que você costuma encontrar na eletrônica comum. Contudo, os detectores BASE são supercondutores e quase não têm resistência elétrica, e todos os componentes circundantes são cuidadosamente escolhidos para que não causem perdas elétricas. Isso torna os detectores BASE extremamente sensíveis a pequenos campos elétricos. Os detectores estão localizados no forte campo magnético da armadilha Penning; axions do fundo de matéria escura interagiriam com este campo magnético e se transformariam em fótons, que pode então ser detectado.

Os físicos usaram o antipróton como um sensor quântico para calibrar o ruído de fundo em seu detector. Eles então começaram a procurar assinaturas de frequência estreitas inconsistentes com o ruído do detector, embora fraco, o que poderia sugerir aqueles induzidos por partículas semelhantes a axion e suas possíveis interações com fótons. Nada foi encontrado nas frequências que foram gravadas, o que significa que o BASE teve sucesso em estabelecer novos limites superiores para as possíveis interações entre fótons e partículas semelhantes a axiões com certas massas.

Com este estudo, O BASE abre possibilidades para outros experimentos com armadilhas Penning participarem da busca por matéria escura. Como o BASE não foi construído para procurar esses sinais, várias mudanças podem ser feitas para aumentar a sensibilidade e largura de banda do experimento e melhorar a probabilidade de encontrar uma partícula semelhante a um axião no futuro.

"Com esta nova técnica, combinamos dois ramos anteriormente não relacionados da física experimental:física axion e física da armadilha Penning de alta precisão. Nosso experimento de laboratório é complementar aos experimentos de astrofísica e especialmente sensível na faixa de baixa massa axiônica. Com um instrumento desenvolvido especificamente, seríamos capazes de ampliar o panorama das buscas axion usando técnicas de armadilha de Penning, "diz o porta-voz da BASE Stefan Ulmer.