L'amplificatore basato su SQUID, che è di circa un millimetro quadrato, è super raffreddato per essere sensibile ai deboli segnali degli assioni, dovrebbero convertirsi in un fotone a microonde nel rivelatore ADMX. Credito:immagine di Sean O'Kelley
Grazie agli amplificatori quantistici superconduttori a basso rumore inventati all'Università della California, Berkeley, i fisici stanno ora intraprendendo la ricerca più delicata di assioni, uno dei migliori candidati di oggi per la materia oscura.
L'Axion Dark Matter Experiment (ADMX) ha riportato oggi i risultati che mostrano che è il primo e unico esperimento al mondo ad aver raggiunto la sensibilità necessaria per "ascoltare" i segni rivelatori degli assioni della materia oscura.
Il traguardo è il risultato di oltre 30 anni di ricerca e sviluppo, con l'ultimo pezzo del puzzle che arriva sotto forma di un dispositivo quantistico che consente ad ADMX di ascoltare gli assioni più da vicino di qualsiasi esperimento mai costruito.
John Clarke, un professore di fisica nella scuola di specializzazione presso l'UC Berkeley e un pioniere nello sviluppo di rivelatori magnetici sensibili chiamati SQUID (dispositivi di interferenza quantistica superconduttori), sviluppato l'amplificatore due decenni fa. Scienziati dell'ADMX, con il contributo di Clarke, ora l'hanno incorporato nel rivelatore ADMX dell'Università di Washington, Seattle, e sono pronti a rotolare.
"ADMX è un macchinario complicato e piuttosto costoso, quindi ci è voluto del tempo per costruire un rivelatore adatto in modo che potessero metterci sopra l'amplificatore SQUID e dimostrare che funzionava come pubblicizzato. che ha fatto, " ha detto Clarke.
Il team ADMX ha pubblicato oggi i risultati online sulla rivista Lettere di revisione fisica .
"Questo risultato segna l'inizio della vera caccia agli assioni, " ha affermato Andrew Sonnenschein presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) a Batavia, Illinois, il gestore delle operazioni per ADMX. "Se gli assioni di materia oscura esistono all'interno della banda di frequenza, lo indagheremo nei prossimi anni, allora è solo questione di tempo prima che li troviamo."
Un rendering in sezione del rivelatore ADMX, che può rilevare gli assioni che producono fotoni all'interno del suo freddo, interno scuro. Credito:collaborazione ADMX
Materia oscura:MACHO, WIMP o assioni?
La materia oscura è l'84 percento mancante della materia nell'universo, e i fisici hanno cercato a lungo molti possibili candidati, oggetti aureola compatti più prominenti massicci, o MACHO, e particelle massicce che interagiscono debolmente, o WIMP. Nonostante decenni di ricerca di MACHO e WIMP, gli scienziati hanno colpito; possono vedere gli effetti della materia oscura nell'universo, nel modo in cui si muovono le galassie e le stelle all'interno delle galassie, ma non possono vedere la materia oscura stessa.
Le assioni stanno diventando l'alternativa preferita, in parte perché la loro esistenza risolverebbe anche i problemi con il modello standard della fisica delle particelle di oggi, compreso il fatto che il neutrone dovrebbe avere un momento di dipolo elettrico, ma non lo fa.
Come altri candidati della materia oscura, gli assioni sono ovunque ma difficili da rilevare. Poiché interagiscono con la materia ordinaria così raramente, scorrono nello spazio, anche passando per la Terra, senza "toccare" la materia ordinaria. ADMX impiega un forte campo magnetico e un sintonizzato, scatola riflettente per incoraggiare gli assioni a convertirsi in fotoni a frequenza di microonde, e usa l'amplificatore quantistico per "ascoltarli". Tutto questo viene fatto alla temperatura più bassa possibile per ridurre il rumore di fondo.
Clarke ha appreso di un ostacolo chiave per ADMX nel 1994, quando incontro con il fisico Leslie Rosenberg, ora professore all'Università di Washington e capo scienziato per ADMX, e Karl van Bibber, ora presidente del dipartimento di ingegneria nucleare dell'Università di Berkeley. Poiché il segnale dell'assone sarebbe molto debole, qualsiasi rivelatore dovrebbe essere molto freddo e "silenzioso". Rumore da calore, o radiazione termica, è facile da eliminare raffreddando il rivelatore fino a 0,1 Kelvin, o circa 460 gradi sotto zero Fahrenheit. Ma eliminare il rumore dagli amplificatori a transistor a semiconduttore standard si è rivelato difficile.
Hanno chiesto a Clarke, Gli amplificatori SQUID risolverebbero questo problema?
Gli amplificatori superfreddi riducono il rumore al limite assoluto
Sebbene avesse costruito amplificatori SQUID che funzionassero fino a frequenze di 100 MHz, nessuno funzionava alle frequenze gigahertz necessarie, così si mise al lavoro per costruirne uno. Entro il 1998, lui e i suoi collaboratori avevano risolto il problema, grazie in gran parte al finanziamento iniziale della National Science Foundation e al successivo finanziamento del Dipartimento dell'Energia (DOE) attraverso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Gli amplificatori su ADMX sono stati finanziati dal DOE attraverso l'Università di Washington.
Clarke e il suo gruppo hanno dimostrato che, raffreddato a temperature di decine di milliKelvin sopra lo zero assoluto, il Microstrip SQUID Amplifier (MSA) potrebbe ottenere un rumore che era limitato quantisticamente, questo è, limitato solo dal principio di indeterminazione di Heisenberg.
"Non puoi fare di meglio, " ha detto Clarke.
Questa tecnologia molto più silenziosa, abbinato al gruppo frigorifero, ridotto il rumore di un fattore di circa 30 a 600 MHz in modo che un segnale dall'assone, se ce n'è uno, dovrebbe arrivare forte e chiaro. La MSA attualmente in funzione su ADMX è stata fabbricata da Gene Hilton presso il National Institute of Standards and Technology di Boulder, Colorado, e testato, calibrato e confezionato da Sean O'Kelley, uno studente laureato nel gruppo di ricerca di Clarke alla UC Berkeley.
Il team di ADMX prevede di sintonizzarsi lentamente su milioni di frequenze nella speranza di sentire un tono chiaro dai fotoni prodotti dal decadimento degli assioni.
"Questo risultato pianta una bandiera, " ha detto Rosenberg. "Racconta al mondo che abbiamo la sensibilità, e avere un'ottima possibilità di trovare l'assione. Non è necessaria alcuna nuova tecnologia. Non abbiamo più bisogno di un miracolo, abbiamo solo bisogno di tempo".
Clarke ha anche notato che l'alta frequenza, gli amplificatori SQUID quantistici a basso rumore che ha inventato per ADMX sono stati da allora impiegati in un'altra area calda della fisica, per leggere i bit quantistici superconduttori, o qubit, per i computer quantistici del futuro.
