L'esperimento BREAD traccia i fotoni oscuri a nuovi livelli – Physics World

Un nuovo rilevatore progettato per la ricerca dei cosiddetti fotoni “oscuri” ha posto vincoli senza precedenti su dove potrebbe essere trovato questo tipo di materia oscura. Il rilevatore utilizza un'antenna parabolica coassiale per intrappolare e incanalare i fotoni, e i suoi sviluppatori statunitensi affermano che potrebbe facilmente essere ampliato e reso più sensibile in futuro.

Le attuali teorie della fisica suggeriscono che la materia oscura costituisce circa l’85% della massa dell’universo. Questa forma di materia potrebbe aver avuto un ruolo importante nella formazione delle galassie grazie alla sua attrazione gravitazionale, ma finora non siamo riusciti a rilevarla direttamente. In effetti, gli scienziati non sono sicuri di quale forma potrebbe assumere la materia oscura, o anche dove cercarla esattamente. L’approccio principale prevede l’utilizzo di rilevatori che cercano particelle con uno specifico intervallo di masse (o frequenze) nella speranza che, anche se non vedono nulla, almeno impareremo di più su cosa non è la materia oscura.

Ricerca in una fascia più ampia di masse

I ricercatori guidati da David Miller della University of Chicago ed Andrea Sonnenschein della Laboratorio Nazionale Acceleratore Fermi (Fermilab) hanno ora proposto un approccio leggermente diverso che coinvolge un rilevatore che effettua ricerche su una gamma più ampia di masse, anche se con una precisione leggermente inferiore. Conosciuto come il Esperimento con riflettore a banda larga per il rilevamento di assioni (BREAD), questo esperimento cerca la materia oscura sotto forma di particelle note come assioni e fotoni oscuri. Queste particelle sono estremamente leggere e possono essere convertite in fotoni visibili in determinate circostanze. Ad esempio, quando colpiscono una parete metallica, i fotoni visibili vengono emessi in direzione perpendicolare alla parete.

BREAD è costituito da un tubo metallico cilindrico che intrappola e incanala i fotoni oscuri, e la parte esterna di questo tubo cilindrico corrisponde alla parete, spiega un membro del team Stefan Knirck, un fisico del Fermilab. "I fotoni vengono focalizzati su un piccolo punto dietro il quale è possibile posizionare un rilevatore di luce o un'antenna per cercare un segnale", spiega. “In BREAD, la combinazione di un riflettore interno a forma di lacrima e del cilindro esterno si occupa della messa a fuoco.”

Sensibilità molto elevata nella gamma di frequenza scelta

Il team descrive i risultati dell’esperimento nella sua forma attuale come “molto promettenti”, sottolineando che mostra una sensibilità molto elevata alle frequenze comprese tra 10.7 e 12.5 GHz. In questo intervallo, il rilevatore supera i limiti esistenti di un fattore pari a circa 100, ponendo il limite più severo finora sui fotoni oscuri a queste frequenze.

Il team di UChicago/Fermilab sta ora sviluppando la tecnologia per renderla più sensibile e scalabile. “Al momento, l’esperimento è sensibile solo a modelli di materia oscura abbastanza artificiosi”, afferma Knirck, “ma, alla fine, il metodo potrebbe consentirci di esplorare altri modelli di assioni”.

Per rendere il rilevatore sensibile a queste altre versioni assioniche della materia oscura, Knirck nota che lui e i suoi colleghi dovranno aggiungere un campo magnetico parallelo alla parete. Hanno in programma di farlo posizionando lo strumento in un magnete a solenoide su scala metrica, ad alto campo (multi-Tesla), e stanno attualmente eseguendo prove utilizzando un magnete 4T presso l'Argonne National Laboratory.

"Stiamo anche costruendo più prototipi che combinano il concetto con diverse tecnologie quantistiche all'avanguardia per essere sensibili alle singole particelle di luce nel fuoco", dice Knirck Mondo della fisica. “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 scala di 10 metri all’interno di un enorme magnete”.

Lo studio è pubblicato in Physical Review Letters.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/bread-experiment-tracks-dark-photons-to-new-levels/