Partes críticas de la configuración experimental, con un plato chapado en oro de 12,7 cm en la esquina inferior derecha, una antena de cuerno gris claro encima y un amplificador paramétrico de confinamiento cuántico en el fondo a la derecha (rectángulo marrón oscuro a 135 grados) . Fuente: Ramanathan et al.
Debido a que la materia oscura consiste en partículas que no absorben, emiten ni reflejan la luz, no se puede observar directamente con los métodos utilizados para observar la materia convencional. Por ello, en los últimos años, astrofísicos de todo el mundo han desarrollado métodos que podrían ayudar a detectar este tipo de materia escurridiza.
Investigadores del Instituto de Tecnología de California establecieron recientemente nuevos límites directos para la detección de materia oscura o materia oscura fotónica, un candidato a materia oscura que se cree que tiene una interacción débil con los fotones ordinarios (luz). Su trabajo, publicado en Cartas de inspección físicaintroduce un nuevo enfoque para la búsqueda de fotones ocultos.
“La sensibilidad del experimento de fotones ocultos de materia oscura depende de la fuerza de la señal de materia oscura en comparación con la señal más pequeña que se puede detectar”, dijo a Phys.org Nikita Klimovich, uno de los investigadores que dirigió el estudio. “Al buscar fotones ocultos, la amplitud de la señal de materia oscura se escala con la superficie del plato de metal utilizado, mientras que el nivel de señal mínimo detectable está determinado en gran medida por el ruido de fondo de los amplificadores utilizados para leer la antena”.
El trabajo reciente de Klimovich y sus colegas se basa en búsquedas anteriores de materia oscura oculta como experimento SHUKET. El experimento SHUKET es un ambicioso proyecto de investigación para detectar materia oscura ultraligera utilizando un telescopio electromagnético.
“Las búsquedas anteriores que inspiraron este trabajo, como el experimento SHUKET, generalmente tenían como objetivo maximizar la intensidad de la señal al tener un plato muy grande que usaba los mejores amplificadores de bajo ruido disponibles en el mercado”, explicó Klimovich.
“Karthik Ramanathan se dio cuenta de que teníamos el potencial para adoptar el enfoque opuesto”.
“Al usar amplificadores de confinamiento cuántico que estaba desarrollando y ejecutar todo el experimento a temperaturas de milikelvin, pudimos reducir significativamente los niveles mínimos de señal que podíamos detectar en comparación con otros experimentos que usan bajo nivel de ruido comercial (pero no cuántico). (ruido confinado) tecnología”,
El enfoque propuesto por el equipo para buscar fotones ocultos tiene un defecto clave. En particular, el pequeño espacio disponible dentro del criostato limitaría en gran medida el tamaño del recipiente que podrían usar, lo que daría como resultado una señal sin procesar mucho más baja que la detectada en otros experimentos, incluido SHUKET.
Sin embargo, Klimovich, Ramanathan y sus colegas esperaban que la mayor sensibilidad de las mediciones recopiladas por su método compensaría esta limitación, permitiéndoles ampliar nuevas fronteras en la detección de fotones oscuros. En sus experimentos, básicamente estudiaron la señal emitida por un recipiente metálico esférico, comparándola con la señal de la llamada carga de referencia.
“Si hubiera un fotón oculto con una masa correspondiente al rango de frecuencia al que éramos sensibles, deberíamos ver un ligero exceso de energía proveniente del plato en comparación con la referencia”, dijo Klimowicz. “Dado que no vimos esa señal, pudimos establecer un nuevo límite superior en el acoplamiento de una partícula fotónica oculta con el campo electromagnético en función del nivel de señal más pequeño que pudimos detectar”.
Partes críticas de la configuración experimental, con un plato chapado en oro de 12,7 cm en la esquina inferior derecha, una antena de cuerno gris claro encima y un amplificador paramétrico de confinamiento cuántico en el fondo a la derecha (rectángulo marrón oscuro a 135 grados) . Fuente: Ramanathan et al.
Usando el enfoque propuesto, los científicos lograron introducir restricciones nuevas y estrictas en la detección directa de fotones ocultos. Si bien aún no han detectado este candidato a materia oscura, esperan que su enfoque se utilice para búsquedas adicionales, lo que eventualmente contribuirá a su detección.
“Además de las nuevas restricciones de detección, hemos demostrado un enfoque muy asequible para los experimentos de fotones ocultos en el futuro”, agregó Klimowicz.
“La búsqueda de materia oscura tipo QUALIPHIDE sería un experimento barato y relativamente simple para la mayoría de los grupos de investigación que tienen acceso a amplificadores con restricciones cuánticas. Esperamos utilizar una metodología similar para buscar fotones ocultos a frecuencias más altas (donde las restricciones actuales de acoplamiento de fotones ocultos son más débiles) y mejorar la configuración para permitir la detección de otros tipos de materia oscura, como los axiones”.
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