Sebbene l'esistenza della materia oscura sia ormai ben documentata, gli astrofisici di tutto il mondo stanno ancora cercando di escogitare metodi efficaci per rilevarla e confermarne la composizione.

Il Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD), un progetto di ricerca recentemente avviato condotto da fisici dell'Università di Chicago e dal Fermi Accelerator Laboratory, ha introdotto un nuovo approccio per la ricerca di candidati alla materia oscura leggera, inclusi fotoni oscuri e assioni.

Il metodo proposto dalla Collaborazione BREAD, delineato in un articolo pubblicato su Physical Review Letters , comporta l'uso di un'antenna parabolica coassiale per captare i segnali che sarebbero associati a queste particelle.

"Sappiamo che c'è una forma di materia intorno a noi che interagisce solo molto debolmente e non si irradia, ma non sappiamo di cosa sia fatta", ha detto a Phys.org Stefan Knirck, autore corrispondente della collaborazione BREAD.

"Negli ultimi decenni sono stati fatti molti sforzi per cercare nuove particelle fondamentali con una massa simile a quella di un protone, ma con scarso successo. Ci rivolgiamo quindi ad altri candidati molto motivati:il fotone oscuro e l'assione. "

Si teorizza che i fotoni e gli assioni oscuri siano circa 1 trilione di volte più leggeri dei protoni, quindi la loro rilevazione richiederebbe tecnologie molto diverse. Sebbene la collaborazione BREAD sia ancora agli inizi, ha introdotto una nuova tecnologia progettata per cercare queste particelle più leggere. L'obiettivo del recente studio di Knirck e dei suoi colleghi era iniziare a testare questa tecnologia in un esperimento iniziale su piccola scala.

"L'idea alla base del nostro lavoro è che se esiste un assionino (o, nel caso di questo articolo, un fotone oscuro), la materia oscura può convertirsi in particelle di luce (fotoni) su una parete metallica", ha spiegato Knirck. "I fotoni vengono emessi perpendicolarmente al muro.

"In BREAD, il cilindro esterno corrisponde a questo muro. Tutta questa luce viene poi focalizzata su un piccolo punto dove è possibile posizionare un rilevatore di luce o un'antenna per cercare un segnale. In BREAD, la combinazione del riflettore interno a forma di lacrima e il cilindro esterno si occupa della messa a fuoco."

Per rendere l’impianto sensibile alla materia oscura assionica, la Collaborazione BREAD potrebbe anche aggiungere un campo magnetico parallelo alla parete metallica in una versione futura dell’esperimento. Una caratteristica unica del nuovo rilevatore è che può adattarsi a magneti solenoidi ad alto campo (multi-Tesla) molto grandi (scala m).

"In questo primo esperimento, ci siamo concentrati sul rilevamento della 'luce' nel regime delle microonde, simili alle microonde utilizzate quando si scalda il cibo a casa", ha detto Knirck. "A tal fine, abbiamo progettato un'antenna a microonde personalizzata nel punto focale e uno schema molto sensibile per vedere le potenze più piccole ricevute dall'antenna. Ciò ha sfruttato lo sviluppo leader dell'elettronica quantistica in corso al Fermilab."

La collaborazione BREAD ha raccolto la prima serie di dati l'estate scorsa, in particolare tra giugno e luglio 2023. I dati raccolti includono il rumore termico captato dall'antenna durante questo periodo e parte del rumore aggiunto derivante dall'amplificazione.

"All'interno di questo rumore un segnale sarebbe un piccolo eccesso, che abbiamo cercato nella nostra analisi", ha detto Knirck. "Questo è simile a girare la manopola della frequenza su una radio:se non c'è nessuna stazione ad una determinata frequenza senti del rumore, ma quando la sintonizzi lentamente su una stazione, puoi sentire il segnale della stazione che inizia a dominare sul rumore ."

Il recente articolo pubblicato da Knirck e dai suoi collaboratori delinea i risultati della loro prima ricerca di fotoni oscuri utilizzando questo nuovo rivelatore. Sebbene non abbiano rilevato alcun segnale rilevante, il loro esperimento è risultato essere circa 10.000 volte più sensibile alla potenza del segnale dei fotoni oscuri all'interno di una massa compresa tra 44 e 52  μeV (10,7–12,5 GHz) rispetto ai metodi proposti in precedenza.

"Il nostro lavoro dimostra il potenziale di questo concetto e ci consente di ampliarlo e renderlo molto più sensibile in futuro", ha affermato Knirck. "Ciò ci motiva a continuare a sviluppare questa tecnologia con una sensibilità molto migliore su intervalli molto più ampi di diverse masse di materia oscura."

La Collaborazione BREAD spera che il nuovo approccio concepito permetta loro di farlo
esplorare i modelli di assioni più motivati ​​e potenzialmente portare alla loro individuazione, il che rappresenterebbe un enorme passo avanti nell'astrofisica delle particelle.

I ricercatori stanno ora eseguendo il loro esperimento su un magnete 4T presso l'Argonne National Laboratory, per sbloccare la sua sensibilità alla materia oscura simile ad un assione.

"Stiamo anche costruendo più prototipi combinando il concetto con diverse tecnologie quantistiche all'avanguardia per essere sensibili alle singole particelle di luce nel fuoco", ha aggiunto Knirck. "Al Fermilab ci aspettiamo presto di ricevere un magnete ancora più potente che renderà i nostri esperimenti molto più sensibili.

"L'obiettivo a lungo termine è un programma sperimentale su larga scala con un'installazione su una scala di circa 10 metri all'interno di un enorme magnete che consenta di esplorare i modelli più motivati."