A Colaboração BREAD está em busca de fótons escuros usando uma antena parabólica coaxial
Uma representação do design do PÃO. A estrutura em forma de "Hersheys Kiss" canaliza sinais potenciais de matéria escura para o detector de cor cobre à esquerda. O detector é compacto o suficiente para caber em uma mesa. Crédito:Colaboração BREAD Prevê-se que aproximadamente 80% da matéria do universo seja a chamada “matéria escura”, que não emite, reflete ou absorve luz e, portanto, não pode ser detectada diretamente usando técnicas experimentais convencionais.
Embora a existência de matéria escura esteja agora bem documentada, astrofísicos de todo o mundo ainda estão a tentar conceber métodos eficazes para a detectar e confirmar a sua composição.
O Experimento de Refletor de Banda Larga para Detecção de Axions (BREAD), um projeto de pesquisa recentemente estabelecido dirigido por físicos da Universidade de Chicago e do Laboratório do Acelerador Fermi, introduziu uma nova abordagem para procurar candidatos a matéria escura clara, incluindo fótons escuros e áxions.
O método proposto pela BREAD Collaboration, descrito em um artigo publicado em Physical Review Letters , implica o uso de uma antena parabólica coaxial para captar sinais que estariam associados a essas partículas.
“Sabemos que existe uma forma de matéria ao nosso redor que interage apenas de forma muito fraca e não irradia, mas não sabemos do que é feita”, disse Stefan Knirck, autor correspondente da BREAD Collaboration, ao Phys.org.
“Tem havido muito esforço para procurar novas partículas fundamentais com massa semelhante à de um próton nas últimas décadas, mas com pouco sucesso. Portanto, recorremos a outros candidatos muito bem motivados:o fóton escuro e o áxion. "
Teoriza-se que os fótons e áxions escuros sejam aproximadamente 1 trilhão de vezes mais leves que os prótons, portanto, sua detecção exigiria tecnologias muito diferentes. Embora a colaboração BREAD ainda esteja no início, introduziu uma nova tecnologia concebida para procurar estas partículas mais leves. O objetivo do estudo recente de Knirck e seus colegas era começar a testar esta tecnologia em um experimento inicial em pequena escala.
“A ideia por trás do nosso trabalho é que se a matéria escura do áxion (ou no caso deste artigo, do fóton escuro) existir, ela pode se converter em partículas de luz (fótons) em uma parede metálica”, explicou Knirck. “Os fótons são emitidos perpendicularmente à parede.
"No PÃO, o cilindro externo corresponde a esta parede. Toda essa luz é então focada em um pequeno ponto onde você pode colocar um detector de luz ou antena para procurar um sinal. No PÃO, a combinação do refletor interno em forma de lágrima e o cilindro externo cuida do foco."
Para tornar a configuração sensível à matéria escura do axion, a Colaboração BREAD também poderia adicionar um campo magnético paralelo à parede metálica numa versão futura da experiência. Uma característica única do novo detector é que ele pode caber em ímãs solenóides de alto campo (multi-Tesla) muito grandes (escala m).
“Neste primeiro experimento, nos concentramos na detecção de ‘luz’ no regime de micro-ondas, semelhante às micro-ondas usadas quando você aquece alimentos em casa”, disse Knirck. "Para esse fim, projetamos uma antena de micro-ondas personalizada no ponto focal e um esquema muito sensível para ver as menores potências recebidas pela antena. Isso alavancou o desenvolvimento líder da eletrônica quântica em andamento no Fermilab."
A Colaboração BREAD coletou sua primeira rodada de dados no verão passado, especificamente entre junho e julho de 2023. Os dados coletados incluem o ruído térmico captado pela antena durante este período e algum ruído adicional de amplificação.
“Dentro deste ruído, um sinal seria um pequeno excesso, que procuramos na nossa análise”, disse Knirck. "Isso é semelhante a girar o botão de frequência de um rádio:se não houver nenhuma estação em uma determinada frequência, você ouvirá ruído, mas quando você sintonizar lentamente uma estação, poderá ouvir o sinal da estação começando a dominar o ruído. ."
O recente artigo publicado por Knirck e seus colaboradores descreve os resultados de sua primeira pesquisa por fótons escuros usando este novo detector. Embora eles não tenham captado nenhum sinal relevante, descobriu-se que seu experimento era cerca de 10.000 vezes mais sensível à potência do sinal do fóton escuro dentro de uma massa variando de 44 a 52 μeV (10,7–12,5 GHz) do que os métodos propostos anteriormente.
“Nosso trabalho demonstra o potencial deste conceito e nos prepara para ampliá-lo e torná-lo muito mais sensível no futuro”, disse Knirck. "Isto motiva continuar a desenvolver esta tecnologia com uma sensibilidade muito melhor em gamas muito maiores de diferentes massas de matéria escura."
A Colaboração BREAD espera que a sua abordagem recentemente concebida lhes permita
explorar os modelos de áxions mais bem motivados e potencialmente levar à sua detecção, o que seria um grande avanço na astrofísica de partículas.
Os investigadores estão agora a realizar a sua experiência num íman 4T no Laboratório Nacional de Argonne, para desbloquear a sua sensibilidade à matéria escura semelhante a um axião.
“Também estamos construindo mais protótipos combinando o conceito com diferentes tecnologias quânticas de ponta para serem sensíveis a partículas únicas de luz no foco”, acrescentou Knirck. “No Fermilab esperamos receber em breve um ímã ainda mais poderoso que tornará nossos experimentos muito mais sensíveis.
“O objetivo de longo prazo é um programa experimental em grande escala com uma configuração na escala de aproximadamente 10 m dentro de um enorme ímã que permita explorar os modelos mais motivados.”
