Figura che mostra la vista in sezione trasversale di varie celle multiple (doppia, quadruplicare-, e ottle-cell) cavità con la distribuzione prevista del campo elettrico indotto da assioni dalla modalità risonante di interesse. Credito:Jeong et al.
Negli ultimi decenni, molti fisici sperimentali hanno sondato l'esistenza di particelle chiamate assioni, che risulterebbe da un meccanismo specifico che secondo loro potrebbe spiegare la contraddizione tra teorie ed esperimenti che descrivono una simmetria fondamentale. Questa simmetria è associata a uno squilibrio materia-antimateria nell'Universo, riflessa nelle interazioni tra particelle diverse.
Se questo meccanismo ha avuto luogo nell'Universo primordiale, una tale particella potrebbe avere una massa molto piccola ed essere "invisibile". i ricercatori hanno proposto che l'assione potrebbe anche essere un candidato promettente per la materia oscura, uno sfuggente, ipotetico tipo di materia che non emette, riflettono o assorbono la luce.
Sebbene la materia oscura non sia stata ancora osservata sperimentalmente, si ritiene che costituisca l'85% della massa dell'universo. Rilevare gli assioni potrebbe avere importanti implicazioni per gli esperimenti in corso sulla materia oscura, in quanto potrebbe migliorare l'attuale comprensione di queste particelle sfuggenti.
I ricercatori dell'Istituto per le scienze di base (IBS) hanno recentemente effettuato una ricerca sulla materia oscura assionica invisibile utilizzando un aloscopio a cavità multipla da loro progettato (vale a dire, uno strumento per osservare gli aloni, parelia, e altri fenomeni fisici simili). I loro risultati sono stati confrontati favorevolmente con quelli delle precedenti ricerche sulla materia oscura degli assioni basate sull'aloscopio, mettendo in evidenza il potenziale dello strumento che hanno creato sia per le ricerche sulla materia oscura che per altre ricerche di fisica.
"L'assione è rilevabile sotto forma di un fotone a microonde in cui viene convertito in presenza di un forte campo magnetico, "SungWoo Youn, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Un aloscopio cavità, tipicamente impiegando un risonatore cilindrico posto in un solenoide per utilizzare la risonanza per migliorare il segnale, è l'approccio più sensibile per sondare i modelli teorici consolidati."
Mentre gli aloscopi a cavità potrebbero essere strumenti promettenti per rilevare gli assioni, sono generalmente molto sensibili alle frequenze relativamente basse. Ciò è principalmente dovuto al fatto che le frequenze di risonanza sono inversamente proporzionali al raggio della cavità, che riduce il volume di rilevamento per le ricerche ad alta frequenza.
Questo è uno dei motivi per cui la ricerca assionica più delicata condotta finora, vale a dire l'esperimento Axion Dark Matter (ADMC) dell'Università di Washington, impostare limiti sperimentali inferiori a 1GHz. Uno dei modi possibili per evitare questa perdita di volume sarebbe raggruppare insieme molte cavità più piccole e combinare segnali individuali, per garantire che tutte le frequenze e le fasi siano sincronizzate.
"Questo sistema a cavità multiple è stato proposto in precedenza, ma non è stato affrontato con successo, a causa degli effetti sull'affidabilità e sulla maggiore complessità del funzionamento del sistema, " Hai detto. "Il nostro team presso il Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) presso IBS, con sede presso il Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) in Corea del Sud, guidato da me stesso, così sviluppato un nuovo design della cavità, cosiddetta cavità multicellulare”.
L'aloscopio a cavità progettato da Youn e dai suoi colleghi è caratterizzato da più partizioni che dividono verticalmente il volume della sua cavità in celle identiche. Questo design unico aumenta le frequenze di risonanza con una minima perdita di volume. I ricercatori hanno anche assicurato che le partizioni situate nel mezzo della cavità siano separate da uno spazio vuoto.
"Rendendo tutte le cellule collegate spazialmente, il nostro design consente a un'unica antenna di captare il segnale dall'intero volume e quindi semplifica notevolmente la struttura della catena del ricevitore, "Ha spiegato Youn. "Il gap dimensionato in modo ottimale consente anche di distribuire uniformemente il segnale indotto dagli assioni nello spazio, che massimizza il volume effettivo indipendentemente dalla tolleranza di lavorazione e dal disallineamento meccanico nella costruzione della cavità. Ho soprannominato questo design della cavità "cavità per pizza" e ho confrontato il divario con un salva pizza, che mantiene intatte le fette con i suoi condimenti originali."
L'aloscopio utilizzato dai ricercatori per condurre il loro esperimento è il risultato di circa due anni di ricerca basata su simulazioni, seguita dalla fabbricazione di numerosi prototipi. Nel loro recente studio, è stato utilizzato per eseguire una ricerca di materia oscura assionica utilizzando un magnete superconduttore 9T a una temperatura di 2 kelvin (-271 ° C). Ciò ha permesso ai ricercatori di scansionare rapidamente una gamma di frequenze di> 200 MHz sopra 3 GHz, che è 4-5 volte superiore a quello coperto dall'esperimento ADMX.
"Anche se non abbiamo osservato alcun segnale di tipo assionico, abbiamo dimostrato con successo che la cavità a più celle sarebbe in grado di rilevare segnali ad alta frequenza con elevate prestazioni e affidabilità, " Hai detto. "Abbiamo anche calcolato che a causa del volume maggiore e della maggiore efficienza, questo nuovo design della cavità può permetterci di esplorare la data gamma di frequenze 4 volte più velocemente di quella convenzionale. Faccio spesso una dichiarazione divertente ma significativa:"Se un esperimento tradizionale impiega 4 anni per sondare qualcosa, il nostro esperimento durerà solo 1 anno. Il nostro dottorato gli studenti possono laurearsi molto più velocemente di altri.'"
Lo studio condotto da Youn e dai suoi colleghi dimostra il valore e il potenziale dell'aloscopio a cavità di pizza che hanno sviluppato per condurre ricerche sulla materia oscura invisibile nelle regioni ad alta frequenza. Nel futuro, potrebbe quindi aiutare la ricerca di questo tipo di materia sfuggente e un giorno forse anche consentirne l'individuazione.
"Attualmente, il nostro centro si sta inoltre preparando alla sperimentazione innestando diverse cavità pizza sui sistemi esistenti per ricercare assioni a frequenza ancora più elevata, "Hai aggiunto.
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