Si sa molto poco sull'esatta natura della materia oscura. Attualmente, alcuni dei candidati più promettenti per la materia oscura sono particelle bosoniche estremamente leggere come gli assioni, particelle simili ad assioni o anche fotoni oscuri. "Questi possono anche essere considerati come un campo classico che oscilla a una certa frequenza. Ma non possiamo ancora dare una cifra a questa frequenza, e quindi alla massa delle particelle, " spiega il professor Dmitry Budker. "Ecco perché nel programma di ricerca CASPEr, stiamo studiando sistematicamente diverse gamme di frequenza alla ricerca di indizi di materia oscura".

Il gruppo di Budker sta cercando la materia oscura attraverso il Cosmic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr). Il gruppo CASPEr conduce i propri esperimenti presso il PRISMA+ Cluster of Excellence presso la Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e l'Helmholtz Institute Mainz (HIM). CASPEr è un programma di ricerca internazionale che utilizza tecniche di risonanza magnetica nucleare per identificare e analizzare la materia oscura.

Il team CASPEr sta sviluppando speciali tecniche di risonanza magnetica nucleare (NMR), ciascuno mirato a un intervallo di frequenza specifico e quindi a un intervallo specifico di masse di particelle di materia oscura. L'NMR si basa generalmente sul fatto che gli spin nucleari reagiscono a campi magnetici che oscillano a una specifica frequenza di risonanza. La frequenza di risonanza viene sintonizzata tramite un secondo, campo magnetico generalmente statico. L'idea fondamentale del programma di ricerca CASPEr è che un campo di materia oscura può influenzare gli spin nucleari allo stesso modo. Mentre la Terra si muove attraverso questo campo, gli spin nucleari si comportano come se sperimentassero un campo magnetico oscillante, generando così uno spettro NMR indotto dalla materia oscura.

Nel lavoro attuale, il primo autore Antoine Garcon e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica più esotica:NMR da zero a campo ultrabasso (ZULF). "ZULF NMR fornisce un regime in cui gli spin nucleari interagiscono più fortemente tra loro di quanto non facciano con un campo magnetico esterno, " dice l'autore corrispondente Dr. John W. Blanchard. "Per rendere gli spin sensibili alla materia oscura, dobbiamo solo applicare un campo magnetico esterno molto piccolo, che è molto più facile da stabilizzare."

Per di più, per la prima volta i ricercatori hanno esaminato gli spettri ZULF NMR dell'acido 13C-formico rispetto alle bande laterali indotte dalla materia oscura, impiegando un nuovo schema di analisi per mediare coerentemente bande laterali di frequenza arbitraria su più misurazioni.

Questa particolare forma di analisi della banda laterale ha permesso agli scienziati di cercare la materia oscura in una nuova gamma di frequenze. Nessun segnale di materia oscura è stato rilevato, come riporta il team CASPEr nell'ultima edizione di Progressi scientifici , consentendo agli autori di escludere la materia oscura ultraleggera con accoppiamenti al di sopra di una determinata soglia. Allo stesso tempo, questi risultati forniscono un altro pezzo del puzzle della materia oscura e completano i risultati precedenti del programma CASPEr riportati a giugno, quando gli scienziati hanno esplorato frequenze ancora più basse utilizzando un altro metodo NMR specializzato chiamato comagnetometria.

"Come un puzzle, combiniamo vari pezzi all'interno del programma CASPEr per restringere ulteriormente l'ambito della ricerca della materia oscura, " afferma Dmitry Budker.

John Blanchard aggiunge, "Questo è solo il primo passo. Attualmente stiamo implementando diverse modifiche molto promettenti per aumentare la sensibilità del nostro esperimento".