Ricercatori dell'Università del Delaware, L'Università dell'Arizona e l'Haverford College hanno recentemente introdotto l'idea di cercare la materia oscura scalare utilizzando risonatori acustici compatti. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , dimostra teoricamente il potenziale dei sistemi meccanici nella ricerca della materia oscura.

"Come teorico che ha iniziato nel campo dell'optomeccanica come studente laureato, Mi sono spesso chiesto se sia possibile utilizzare alcuni degli squisiti dispositivi che i miei colleghi sperimentali stanno sviluppando come sensori per rilevare nuovi fenomeni fisici, "Swati Singh, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Quando leggo un articolo su come certi tipi di materia oscura possono portare a un segnale di deformazione periodica, Ho fatto il collegamento al mio lavoro precedente sulla rilevazione delle onde gravitazionali dalle pulsar. L'obiettivo del nostro recente articolo era mostrare la promessa di una gamma molto più ampia di dispositivi meccanici come sensori da tavolo della materia oscura".

Da molti anni ormai, i fisici teorici hanno previsto l'esistenza di particelle che non emettono, riflettere o assorbire la luce, e quindi non rilevabili utilizzando gli strumenti tradizionali per lo studio della materia. Mentre molti ricercatori hanno cercato di rilevare queste particelle, conosciuta come materia oscura, la loro precisa natura rimane sconosciuta.

"Anche se non sappiamo cosa sia la materia oscura, possiamo semplificare la ricerca concentrandoci su particelle motivate teoricamente, "Jack Manley, un altro ricercatore coinvolto nel recente studio, ha detto a Phys.org. "Abbiamo scelto di cercare la materia oscura 'ultraleggera':particelle che in teoria sono più leggere dei neutrini".

I ricercatori ipotizzano che la materia oscura ultraleggera sia estremamente leggera, più leggero anche dei neutrini. Se tali particelle di materia oscura esistessero, la loro densità sarebbe così grande che sarebbero visti meglio come un fluido che permea la galassia, producendo un disturbo ondulatorio sulla materia normale.

"L'ipotesi della materia oscura ultraleggera è motivata da scenari della teoria delle stringhe, ed inoltre, potrebbe spiegare alcune discrepanze sconcertanti tra le previsioni di molecole oscure più prosaiche e la distribuzione della materia oscura su scale galattiche, "Daniele Grin, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org.

Nel loro studio, Singh, Manley, Grin e i loro colleghi hanno cercato un tipo specifico di particella che fa oscillare le dimensioni degli atomi, detta materia oscura scalare. Questa oscillazione sarebbe piccola per un singolo atomo, tuttavia può essere amplificato in oggetti composti da più atomi. Gli oggetti che vibrano naturalmente in sincronia con questa oscillazione potrebbero amplificare ulteriormente l'effetto, simile a uno strumento musicale.

"Un elemento chiave del nostro lavoro è identificare una classe di oggetti meccanici che vibrano alla frequenza della materia oscura ultraleggera e producono una risonanza molto pulita, "Dalziel Wilson, un altro ricercatore che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Proponiamo di ascoltare questi dispositivi in ​​modo molto silenzioso, ambiente criogenico, usando la luce come una sorta di microfono."

I ricercatori vogliono utilizzare risonatori acustici compatti fatti di elio superfluido o materiali a cristallo singolo per cercare candidati scalari di materia oscura. Le loro previsioni teoriche suggeriscono che questi risonatori potrebbero accedere a un ampio segmento di spazio dei parametri precedentemente non sondato.

Globale, il recente studio condotto da Singh, Manley, Largo sorriso, Wilson e i loro colleghi evidenziano il potenziale dei sistemi meccanici all'avanguardia su scala cm per rilevare la materia oscura in regimi precedentemente inesplorati, con masse delle singole particelle che vanno da 10 ^-48 kg a 10 ^-42 kg. Nel futuro, questi risonatori potrebbero quindi svolgere un ruolo cruciale nella ricerca della materia oscura, in particolare quello in regime ultraleggero.

"Istigando collaborazioni tra l'ottica quantistica e le comunità di fisica delle alte energie (come abbiamo fatto coinvolgendo il fisico delle particelle Daniel Grin), possiamo sviluppare una migliore comprensione reciproca delle motivazioni e dei limiti dei nuovi rivelatori di materia oscura, " ha detto Singh.

fotoni oscuri, particelle ipotizzate matematicamente simili ai fotoni, sono uno dei più popolari candidati per la materia oscura vettoriale. Sebbene queste particelle non siano mai state osservate prima, ora c'è una notevole quantità di teoria su di loro.

Nei loro studi futuri, i ricercatori vorrebbero utilizzare risonatori compatti per cercare i fotoni oscuri. I loro calcoli iniziali suggeriscono che questi dispositivi meccanici potrebbero stabilire nuovi limiti sulla forza con cui i fotoni oscuri si accoppiano alla materia normale, ma questo può essere confermato solo da studi sperimentali.

"Stiamo attualmente progettando un esperimento per cercare la materia oscura vettoriale, che si accoppia alla posizione piuttosto che alla dimensione degli atomi, " Wilson ha detto. "Un semplice risonatore meccanico a corda oa tamburo sarebbe sensibile a questo tipo di scuotimento. interessante, sforzi per misurare il movimento quantizzato di nanostringhe e membrane su scala cm, nel campo dell'optomeccanica delle cavità, potrebbe già imporre nuovi vincoli all'esistenza di tale materia oscura".

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