O estudo define novas restrições aos fótons escuros usando um novo haloscópio óptico dielétrico

O campo de matéria escura do fóton escuro se converte em fótons em um alvo dielétrico em camadas. Esses fótons são focalizados por uma lente em um detector SNSPD pequeno e de baixo ruído. O feixe emitido da pilha é aproximadamente uniforme, exceto por uma pequena região no meio onde um espelho está ausente. Crédito:Chiles et al.

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Instituto Perimeter recentemente estabeleceram novas restrições aos fótons escuros, que são partículas hipotéticas e renomados candidatos à matéria escura. Suas descobertas, apresentadas em um artigo publicado em Physical Review Letters , foram obtidos usando um novo detector de fóton único de nanofio supercondutor (SNSPD) que eles desenvolveram.
"Há uma estreita colaboração entre nossos grupos de pesquisa do NIST e do MIT, dirigidos pelo Dr. Sae Woo Nam e pelo Prof. Karl Berggren, respectivamente", disse Jeff Chiles, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Trabalhamos juntos para avançar a tecnologia e as aplicações para dispositivos ultra-sensíveis chamados detectores de fóton único de nanofios supercondutores ou SNSPDs".

Nos últimos anos, Chiles e seus colegas consideraram possíveis aplicações que se beneficiariam dos detectores SNSPD nos quais estão trabalhando, que praticamente não têm ruído de fundo, entre outras características vantajosas. Eles acabaram sendo apresentados a um grupo de físicos teóricos do Perimeter Institute for Theoretical Physics no Canadá.

Essa equipe de teóricos teve uma ideia interessante para um detector de matéria escura que poderia operar em um domínio totalmente diferente daqueles atualmente empregados em pesquisas de matéria escura. Este detector, ou seja, um haloscópio óptico dielétrico multicamada, era um conceito altamente promissor, mas exigiria um detector óptico que pudesse ter um desempenho muito melhor do que os existentes no mercado hoje.

"Isso acabou sendo a combinação perfeita, pois os grupos do MIT e do NIST puderam construir o detector e o aparelho e testá-lo", explicou Chiles. "Então, nós nos unimos e chamamos nosso projeto de LAMPOST (Light A' Multilayer Periodic Optical SNSPD Target). Nosso objetivo era alcançar a primeira prova de conceito experimental para essa ideia e provar que ela poderia ser usada para pesquisar matéria escura com melhor sensibilidade do que os limites já estabelecidos."

O detector óptico desenvolvido por Chiles e seus colegas é baseado em uma estrutura conhecida como pilha ou alvo dielétrico. Essa estrutura pode gerar fótons de sinal de interesse, convertendo um fóton escuro não relativístico em um fóton relativístico na mesma frequência.

Novas restrições no fóton escuro DM com massa e mistura cinética. A região sombreada magenta mostra o limite de 90% definido pelo nosso experimento. A curva roxa fina corresponde ao alcance de um experimento equivalente com um SDE melhorado de 90%. Os limites existentes no fóton escuro DM dos experimentos FUNK, SENSEI e Xenon10 e da não detecção de fótons escuros solares pelo Xenon1T são mostrados em cinza. Crédito:Chiles et al.

"Primeiro, realizamos análise da construção do aparelho, simulações ópticas para determinar a eficiência de coleta óptica, simulação da eficiência de detecção, cálculo da influência da polarização no sinal de matéria escura e a potência mínima do sinal compatível com a possível variedade de propriedades-alvo", disse Ilya Charaev, outro pesquisador envolvido no estudo, ao Phys.org. "Usando a técnica SNSPD, todos os sinais recebidos foram registrados em uma exposição de 180 horas."

Para definir um limite no acoplamento da matéria escura, os pesquisadores estimaram a taxa de contagem de escuro, também chamada de "ruído" para o detector SNSPD que eles desenvolveram. Curiosamente, seu valor de ruído estimado é o mais baixo entre todos os valores relatados na literatura de física.

"Notavelmente, conseguimos nosso objetivo, pois conseguimos escanear um tipo de matéria escura, especificamente 'fótons escuros', duas vezes mais sensível do que qualquer outra coisa na faixa de energia que pesquisamos", disse Chiles. "No grande esquema das coisas, este ainda é um pequeno ponto de uma enorme gama de possibilidades para a matéria escura. Mas para nossa primeira corrida exceder os limites existentes é um primeiro passo importante, e para mim, isso fala com o poder e simplicidade da abordagem do haloscópio óptico dielétrico multicamadas."

Em seus experimentos, essa equipe de pesquisadores reuniu informações valiosas que podem informar futuras pesquisas de fótons escuros, além de incentivar potencialmente o uso de SNSPDs. Além de estabelecer novas restrições aos fótons escuros, de fato, Chiles e seus colegas aprenderam mais sobre as capacidades de seu detector.

Mais notavelmente, eles descobriram que o ruído em seu detector era incrivelmente baixo. Mais especificamente, a equipe observou apenas 5 "eventos falsos" para um de seus detectores de fóton único ao longo de 180 horas de coleta de dados, sugerindo que sua tecnologia é altamente sensível a sinais fracos.

“É emocionante pensar em quais outros experimentos físicos de eventos raros essa tecnologia poderia ser aplicada em um futuro próximo”, acrescentou Chiles. "Enquanto isso, planejamos ampliar o experimento a partir daqui. A primeira execução foi uma prova de conceito, mas a próxima será sensível o suficiente para cobrir um grande espaço de parâmetros para a matéria escura, que incluirá áxions e fótons escuros. ." + Explorar mais