Il campo di materia oscura del fotone scuro si converte in fotoni in un bersaglio dielettrico stratificato. Questi fotoni sono focalizzati da una lente su un piccolo rivelatore SNSPD a basso rumore. Il raggio emesso dalla pila è approssimativamente uniforme tranne che per una piccola regione al centro in cui uno specchio è assente. Credito:Chiles et al.
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Perimeter Institute hanno recentemente stabilito nuovi vincoli sui fotoni oscuri, che sono particelle ipotetiche e rinomati candidati alla materia oscura. I loro risultati, presentati in un documento pubblicato in Physical Review Letters , sono stati ottenuti utilizzando un nuovo rivelatore di fotoni singoli a nanofili superconduttori (SNSPD) da loro sviluppato.
"C'è una stretta collaborazione tra i nostri gruppi di ricerca al NIST e al MIT, gestiti rispettivamente dal Dr. Sae Woo Nam e dal Prof. Karl Berggren", ha detto a Phys.org Jeff Chiles, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Lavoriamo insieme per far progredire la tecnologia e le applicazioni per dispositivi ultrasensibili chiamati rivelatori di fotoni singoli superconduttori a nanofili o SNSPD. "
Negli ultimi anni, Chiles e i suoi colleghi hanno preso in considerazione potenziali applicazioni che trarrebbero vantaggio dai rivelatori SNSPD su cui hanno lavorato, che tra le altre vantaggiose caratteristiche non hanno praticamente alcun rumore di fondo. Alla fine furono presentati a un gruppo di fisici teorici del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada.
Questo team di teorici ha avuto un'idea interessante per un rilevatore di materia oscura che potrebbe operare in un dominio completamente diverso da quelli attualmente impiegati nelle ricerche di materia oscura. Questo rivelatore, vale a dire un aloscopio ottico dielettrico multistrato, era un concetto molto promettente, ma richiedeva un rivelatore ottico che potesse funzionare molto meglio di quelli oggi sul mercato.
"Questa si è rivelata la combinazione perfetta, poiché i gruppi del MIT e del NIST hanno potuto costruire il rivelatore e l'apparato e testarlo", ha spiegato Chiles. "Quindi, ci siamo uniti e abbiamo chiamato il nostro progetto LAMPOST (Light A' Multilayer Periodic Optical SNSPD Target). Il nostro obiettivo era quello di ottenere il primo proof-of-concept sperimentale per questa idea e dimostrare che poteva essere utilizzato per cercare la materia oscura con una sensibilità migliore rispetto ai limiti già stabiliti."
Il rilevatore ottico ideato da Chiles e dai suoi colleghi si basa su una struttura nota come stack dielettrico o target. Questa struttura può generare fotoni segnale di interesse, convertendo un fotone oscuro non relativistico in un fotone relativistico con la stessa frequenza.
Nuovi vincoli sul DM di fotoni oscuri con massa e miscelazione cinetica. La regione ombreggiata magenta mostra loro il limite del 90% fissato dal nostro esperimento. La sottile curva viola corrisponde alla portata di un esperimento equivalente con un SDE migliorato del 90%. I limiti esistenti sul fotone scuro DM dagli esperimenti FUNK, SENSEI e Xenon10 e dal non rilevamento dei fotoni scuri solari da parte di Xenon1T sono mostrati in grigio. Credito:Chiles et al.
"In primo luogo, abbiamo eseguito analisi della costruzione dell'apparato, simulazioni ottiche per determinare l'efficienza di raccolta ottica, simulazione dell'efficienza di rilevamento, calcolo dell'influenza della polarizzazione sul segnale di materia oscura e la potenza minima del segnale compatibile con il possibile gamma di proprietà target", ha detto a Phys.org Ilya Charaev, un altro ricercatore coinvolto nello studio. "Utilizzando la tecnica SNSPD, tutti i segnali in entrata sono stati registrati su un'esposizione di 180 ore."
Per fissare un limite all'accoppiamento della materia oscura, i ricercatori hanno stimato il tasso di conteggio scuro, chiamato anche "rumore" per il rivelatore SNSPD che hanno sviluppato. È interessante notare che il loro valore di rumore stimato è il più basso tra tutti i valori riportati nella letteratura fisica.
"In particolare, siamo riusciti nel nostro obiettivo, poiché siamo stati in grado di scansionare un tipo di materia oscura, in particolare 'fotoni oscuri', con una sensibilità doppia rispetto a qualsiasi altra cosa nell'intervallo di energia che abbiamo cercato", ha detto Chiles. "Nel grande schema delle cose, questa è ancora una piccola tacca fuori da una vasta gamma di possibilità per la materia oscura. Ma per la nostra prima corsa superare i limiti esistenti è un primo passo importante e, per me, questo parla del potere e semplicità dell'approccio dell'aloscopio ottico dielettrico multistrato."
Nei loro esperimenti, questo team di ricercatori ha raccolto preziose informazioni che potrebbero informare le future ricerche di fotoni oscuri, incoraggiando anche potenzialmente l'uso di SNSPD. Oltre a stabilire nuovi vincoli sui fotoni scuri, infatti, Chiles e i suoi colleghi hanno appreso di più sulle capacità del loro rivelatore.
In particolare, hanno scoperto che il rumore nel loro rilevatore era incredibilmente basso. Più specificamente, il team ha osservato solo 5 "falsi eventi" per uno dei loro rilevatori di fotoni singoli in 180 ore di raccolta dati, suggerendo che la loro tecnologia è altamente sensibile ai segnali deboli.
"È eccitante pensare a quali altri esperimenti di fisica sugli eventi rari questa tecnologia potrebbe essere applicata nel prossimo futuro", ha aggiunto Chiles. "Nel frattempo, abbiamo in programma di ampliare l'esperimento da qui. La prima corsa è stata una prova di concetto, ma la prossima sarà abbastanza sensibile da coprire un ampio spazio parametrico per la materia oscura, che includerà sia assioni che fotoni oscuri ." + Esplora ulteriormente
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