La collaborazione ADMX, un gruppo di ricercatori che lavorano nelle università degli Stati Uniti e dell'Europa, ha recentemente effettuato una nuova ricerca sulla materia oscura assionica invisibile utilizzando un aloscopio a cavità e un amplificatore parametrico Josephson a basso rumore. Gli aloscopi a cavità sono strumenti sensibili progettati per rilevare e studiare gli aloni intorno a corpi luminosi o altri fenomeni fisici. Amplificatori parametrici Josephson, d'altra parte, sono strumenti tecnologici che possono essere utilizzati per manipolare gli stati quantistici dei campi luminosi a microonde.

Nel loro recente articolo, pubblicato in Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno cercato assioni di materia oscura nell'alone galattico con una massa compresa tra 2,81 e 3,31 μeV. I risultati di questa ricerca potrebbero aiutare a escludere precedenti previsioni teoriche, informando la futura ricerca della materia oscura assionista invisibile.

"La nostra recente ricerca è stata motivata da due diversi misteri della fisica, entrambi i quali sarebbero risolti con il rilevamento della materia oscura di assioni, "Nick Du, ricercatore presso l'Università di Washington e coautore del recente articolo, ha detto a Phys.org. "Il primo di questi è il mistero della materia oscura."

Precedenti studi di fisica hanno trovato prove che ciò che normalmente consideriamo materia costituisce solo circa il 15% della massa totale dell'universo. Si pensa che il restante 85% sia composto da particelle che non assorbono, emettono o riflettono la luce, e quindi non può essere rilevato utilizzando le tecniche tradizionali per lo studio della materia.

Questo materiale non luminoso, conosciuta come materia oscura, rimane uno dei più grandi misteri della fisica contemporanea, poiché i ricercatori non sono ancora sicuri se esista e di cosa sia fatto. Mentre ora ci sono state innumerevoli ricerche sulla materia oscura utilizzando una varietà di strumenti, questo materiale misterioso finora non è mai stato osservato o rilevato.

"Una possibile soluzione a ciò che potrebbe essere la materia oscura viene da un altro campo della fisica, vale a dire la fisica nucleare, sotto forma di un altro mistero noto come problema della PC forte, " Du ha spiegato. "Una soluzione popolare al problema Strong CP prevede l'esistenza di una nuova particella conosciuta come l'assione, e le proprietà dell'assione lo rendono un candidato irresistibile per la materia oscura. Nel guardare la materia oscura dell'assone, la collaborazione ADMX spera di risolvere sia il problema Strong CP che il mistero sulla natura della materia oscura. "

L'aloscopio a cavità utilizzato da Du e dai suoi colleghi consiste in una cavità risonante posta all'interno di un grande campo magnetico. Secondo previsioni teoriche, gli assioni di materia oscura nell'alone galattico dovrebbero accoppiarsi al campo magnetico nella cavità e produrre fotoni.

Il numero di fotoni prodotti è probabilmente molto piccolo, rendendo il segnale risultante molto difficile da rilevare. Sintonizzando la cavità risonante all'interno dell'aloscopio di assioni alla stessa frequenza dei fotoni, però, il numero di fotoni prodotti dall'alone galattico può essere aumentato.

"In un modo, la nostra ricerca della materia oscura degli assioni è abbastanza simile a come funziona una radio, " Du ha detto. "Come la frequenza di una radio è sintonizzata, si può prendere su diverse stazioni radio. A questo riguardo, il nostro esperimento è simile, tranne per il fatto che non conosciamo la frequenza della nostra stazione radio e il segnale è molto più debole".

La ricerca di assioni di materia oscura è in corso da diversi decenni ormai, e Du ei suoi colleghi hanno già effettuato una serie di tali ricerche utilizzando il loro aloscopio cavità. Mentre finora non erano in grado di rilevare assioni invisibili, i risultati del loro recente esperimento escludono una gamma di masse di assioni che erano state precedentemente previste da modelli teorici di riferimento della materia oscura di assioni.

"Questa è in realtà la seconda volta che il nostro esperimento ha raggiunto questa sensibilità alla materia oscura degli assioni, ma questa volta, abbiamo triplicato la gamma che abbiamo coperto nel nostro studio precedente, " Du ha detto. "Conseguendo e ampliando questa sensibilità, abbiamo dimostrato che nella continua ricerca della materia oscura degli assioni, ADMX rappresenta una delle migliori speranze per trovarlo."

Le osservazioni raccolte da Du e dai suoi colleghi potrebbero informare le future ricerche di assioni di materia oscura, aprendo anche la strada a nuove previsioni teoriche. I ricercatori stanno ora conducendo una nuova ricerca sulla materia oscura degli assioni a frequenze più elevate. Se anche questa ricerca non ha esito positivo, hanno in programma di continuare a cercare assioni invisibili a frequenze ancora più grandi.

"A frequenze più alte, la materia oscura degli assioni diventa più difficile da rilevare, perché le cavità convenzionali che useremmo non sono più così sensibili agli assioni, " Du ha detto. "Tuttavia, abbiamo già alcuni prototipi interessanti in atto per aggirare questo problema, come gli esperimenti che utilizzano un array multi-cavità per cercare la materia oscura degli assioni".

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