Nuova ricerca in Physical Review Letters (PRL ) ha proposto un nuovo metodo per rilevare candidati di materia oscura leggera utilizzando l'interferometria laser per misurare i campi elettrici oscillatori generati da questi candidati.
La materia oscura è una delle sfide più urgenti della fisica moderna, poiché le particelle di materia oscura sono sfuggenti e difficili da rilevare. Ciò ha spinto gli scienziati a trovare modi nuovi e innovativi per cercare queste particelle.
Esistono diversi candidati per le particelle di materia oscura, come le WIMP, le particelle di materia oscura leggera (assioni) e l'ipotetico gravitino. La materia oscura leggera, comprese le particelle bosoniche come l'assione QCD (cromodinamica quantistica), è diventata un punto di interesse negli ultimi anni.
Queste particelle in genere hanno soppresso le interazioni con il modello standard, rendendole difficili da rilevare. Tuttavia, conoscerne le caratteristiche, incluso il comportamento ondulatorio e la natura coerente su scala galattica, aiuta a progettare esperimenti più efficienti.
Nella nuova PRL studio, i ricercatori dell'Università del Maryland e della Johns Hopkins University hanno proposto l'interferometro laser per assioni galattiche Leveraging Electro-Optics o GALILEO, un nuovo approccio per rilevare sia la materia oscura degli assioni che dei fotoni oscuri su un ampio intervallo di massa.
Il ricercatore capo Reza Ebadi, uno studente laureato presso il Quantum Technology Center (QTC) dell'Università del Maryland, ha parlato con Phys.org della ricerca e della motivazione per lo sviluppo di questo nuovo approccio:"Sebbene il modello standard fornisca spiegazioni efficaci di fenomeni che vanno dalle distanze subnucleari alle dimensioni dell'universo, non è una spiegazione completa della natura."
"Non riesce a tenere conto delle osservazioni cosmologiche da cui si deduce l'esistenza della materia oscura. Aspiriamo a ottenere informazioni sulle teorie fisiche che operano su scala galattica utilizzando esperimenti di laboratorio su piccola scala."
Gli assioni e le particelle simili ad assioni furono inizialmente proposti per risolvere problemi nella fisica delle particelle, come il problema della parità di carica forte (CP). Questo problema nasce dall'osservazione che la forza forte non sembra mostrare un particolare tipo di violazione di simmetria, chiamata violazione CP, come previsto dalla teoria.
Questo quadro teorico dà naturalmente origine a particelle simili ad assioni, che condividono proprietà simili agli assioni, essendo entrambi bosoni.
Si prevede che gli assioni e le particelle simili ad assioni abbiano masse molto basse, tipicamente comprese tra microelettronvolt e millielettronvolt. Ciò li rende candidati adatti per la materia oscura leggera, poiché possono mostrare un comportamento ondulatorio su scala galattica.
Oltre alla loro massa ridotta, gli assioni e le particelle simili agli assioni interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria, rendendoli difficili da rilevare utilizzando i mezzi convenzionali.
Queste sono alcune delle ragioni per cui i ricercatori hanno scelto di rilevare queste particelle nella loro configurazione sperimentale. Tuttavia, il metodo si basa sui campi elettrici oscillatori prodotti da queste particelle.
Nelle regioni con una significativa densità di materia oscura, assioni e ALP possono subire oscillazioni coerenti. Queste oscillazioni coerenti possono dare origine a segnali rilevabili, come campi elettrici oscillatori, che l'esperimento GALILEO proposto mira a misurare.
GALILEO
"I candidati alla materia oscura leggera si comportano come onde nelle vicinanze del sole. Si prevede che tali onde di materia oscura inducano campi elettrici oscillanti molto deboli con campi magnetici a causa delle loro minuscole interazioni con l'elettromagnetismo."
"Ci siamo concentrati sul rilevamento del campo elettrico piuttosto che del campo magnetico, che è il segnale target nella maggior parte degli esperimenti attuali e proposti", ha spiegato Ebadi.
I campi elettrici indotti dalla materia oscura leggera possono essere rilevati utilizzando materiali elettro-ottici, in cui il campo elettrico esterno modifica le proprietà del materiale, come l'indice di rifrazione.
GALILEO utilizza un interferometro asimmetrico di Michelson, un dispositivo in grado di misurare le variazioni dell'indice di rifrazione. Un braccio dell'interferometro contiene il materiale elettro-ottico.
Quando il raggio laser della sonda viene sdoppiato e inviato attraverso i due bracci dell'interferometro, il braccio contenente il materiale elettroottico introduce un indice di rifrazione variabile. Questo cambiamento nell'indice di rifrazione influisce sulla fase del raggio laser, risultando in un segnale oscillante quando i raggi vengono riuniti.
Misurando la velocità di fase differenziale tra i due bracci dell'interferometro, GALILEO può rilevare la frequenza di oscillazione indotta dalla materia oscura leggera. Questo segnale oscillatorio serve come firma della presenza di particelle di materia oscura.
La sensibilità del metodo può essere aumentata incorporando cavità Fabry-Perot (che aumentano la lunghezza del braccio dell'interferometro, consentendo una maggiore precisione) ed effettuando misurazioni indipendenti ripetute.
La ricerca si basa su misurazioni di precisione mediante interferometria laser.
Ebadi ha spiegato:"Un ottimo esempio di come gli interferometri laser possono essere utilizzati per misurazioni di precisione è LIGO, il rilevatore di onde gravitazionali basato a terra."
"La nostra proposta utilizza progressi tecnologici simili a quelli di LIGO, come le cavità di Fabry-Perot o la luce compressa per sopprimere il limite del rumore quantistico. Tuttavia, a differenza di LIGO, l'interferometro GALILEO proposto è un dispositivo su scala da tavolo."
Anche se il lavoro è teorico, i ricercatori hanno già in programma di implementare il programma sperimentale passo dopo passo.
È importante sottolineare che vogliono determinare i parametri tecnici richiesti per una configurazione sperimentale ottimizzata, che intendono utilizzare per condurre esperimenti scientifici per la ricerca della materia oscura leggera.
Inoltre, Ebadi sottolinea l'importanza di utilizzare cavità Fabry-Perot ad alta finezza insieme a materiale elettro-ottico all'interno della cavità, oltre a caratterizzare il budget del rumore e la sistematica di installazione, che sono aspetti cruciali del processo sperimentale.
"GALILEO ha il potenziale per diventare una componente significativa della più ampia missione di esplorazione del vasto spazio teoricamente praticabile dei candidati alla materia oscura", ha concluso Ebadi.
Ulteriori informazioni: Reza Ebadi et al, GALILEO:Interferometro laser ad assioni galattiche che sfrutta l'elettroottica, lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101001.
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