Un dispositivo di rilevamento progettato e costruito a Yale sta restringendo la ricerca della materia oscura sotto forma di assioni, una particella subatomica teorizzata che può costituire fino all'80% della materia nell'universo.

Guidati dal fisico di Yale Steve Lamoreaux, un team di scienziati ha annunciato i primi risultati del progetto, chiamato Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC). I risultati appaiono sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"L'esistenza della materia oscura è stata stabilita con un alto grado di sicurezza. Tuttavia al momento nessuno sa cosa sia, e rimane tra le questioni in sospeso della scienza moderna, " ha detto Lamoreaux. "Il nostro lavoro sta ponendo importanti limiti su una teoria leader della materia oscura."

Questa teoria è incentrata sull'assione, una particella che è stata proposta negli anni '80. Lamoreaux disse l'assone, che non ha carica, nessuna rotazione, e una minuscola quantità di massa, ha tutte le proprietà necessarie per essere un convincente candidato alla materia oscura. La densità di materia oscura osservata nella nostra galassia richiede circa 10 trilioni di assioni per centimetro cubo; però, le loro interazioni dirette con la materia ordinaria sono così deboli che la loro rilevazione richiede tecniche sperimentali estremamente sensibili.

Utilizzando un nuovo strumento costruito presso il Wright Lab di Yale, Lamoreaux ei suoi colleghi hanno ampliato i possibili parametri per rilevare gli assioni. Il loro studio dimostra la sensibilità dello strumento necessaria per rilevare gli assioni che sono 10 volte più pesanti di quelli presi di mira da esperimenti precedenti.

I rilevatori di assioni utilizzano campi magnetici intensi per convertire gli assioni in fotoni a microonde rilevabili a una frequenza specifica determinata dalla massa degli assioni sconosciuta. Esperimenti precedenti hanno cercato assioni di piccola massa. Spingere la ricerca a masse più elevate è stato impegnativo per gli scienziati perché richiede rilevatori ad alta frequenza fisicamente più piccoli, ei segnali della conversione degli assioni in questi casi sono più deboli.

"Il nostro principale passo avanti è stato rendere il rilevatore più freddo e silenzioso che mai, adattando amplificatori sviluppati per la ricerca sull'informatica quantistica le cui prestazioni in termini di rumore si avvicinano ai limiti fondamentali imposti dalle leggi della meccanica quantistica, " disse Lamoreaux. "Con i primi dati dal nostro rilevatore, abbiamo fissato dei limiti alle interazioni degli assioni della materia oscura e aperto una nuova porzione della gamma di massa degli assioni consentita all'indagine sperimentale".

Il primo autore dell'articolo è Ben Brubaker, uno studente laureato nel laboratorio Lamoreaux a Yale. Altri coautori di Yale sono Ling Zhong, Yulia Gurevic, Sidney Cahn, e Kelly Backes. Altri coautori provengono dall'Università della California-Berkeley, l'Università del Colorado, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, e Lawrence Livermore National Laboratory.

"L'esperimento sulla materia oscura dell'assone a Yale spinge le frontiere dell'astrofisica delle particelle, " ha detto Karsten Heeger, direttore del Laboratorio Wright. "È un brillante esempio di un esperimento basato sull'università che utilizza una strumentazione all'avanguardia e sfrutta l'infrastruttura locale per affrontare una delle domande fondamentali sull'universo e formare la prossima generazione di scienziati. Siamo entusiasti di avere uno sforzo così leader mondiale qui nel campus del Wright Lab."