Título: Primeros resultados de una búsqueda de banda ancha de materia oscura de fotones oscuros en el rango de 44 a 52 μeV con una antena parabólica coaxial
Autores: Stefan Knirck et al. (Colaboración PAN)
Institución del primer autor: Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, Batavia, Illinois, EE.UU.
Estado: Publicado en PRL [open access]
La materia oscura es un misterio de la física moderna que ha eludido a los científicos durante casi un siglo. No absorbe, refleja ni emite luz, lo que lo hace esencialmente invisible, pero sus efectos gravitacionales observados en estrellas y galaxias llevan a los científicos a creer que algo está ahí. La pregunta es: ¿qué es eso? algo ¿hecho de? Ninguna partícula en el Modelo Estándar tiene características que coincidan con las de la materia oscura, por lo que debe haber una partícula nueva no descubierta que las tenga. Los científicos han propuesto una variedad de candidatos diferentes a materia oscura que abarcan más de ochenta órdenes de magnitud en masa. Uno de esos candidatos es el axión, que se cree que es materia oscura liviana que actúa como una onda que oscila a una frecuencia específica.
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Para buscar este tipo de materia oscura, los investigadores utilizan cavidades resonantes. Estas cavidades son extremadamente sensibles a los estímulos que oscilan en una frecuencia particular e ignoran los estímulos que oscilan en todas las demás frecuencias. Pero como las cavidades resonantes sólo funcionan en un rango estrecho de frecuencias, muchos rangos de masa quedan sin explorar. Para abordar esto, los investigadores han desarrollado un nuevo experimento para buscar materia oscura: el Experimento de Banda Ancha para la Detección de Axiones, o BREAD. BREAD aprovecha el hecho de que cuando la materia oscura en forma de onda, como un fotón oscuro, golpea una superficie metálica, puede convertirse en fotones. Para una superficie mucho más grande que la longitud de onda del fotón, esta conversión no depende de la masa del fotón oscuro, lo que permite que este método de detección supere las limitaciones de las cavidades resonantes. En el artículo de hoy, los autores informan los primeros resultados de GigaBREAD, una versión de prueba de concepto de BREAD.
La configuración experimental de GigaBREAD se muestra en la Figura 1. Consiste en un espejo en forma de lágrima encerrado dentro de un cilindro cilíndrico de aluminio, con una antena de bocina colocada en un punto focal del sistema. Cuando un fotón oscuro choca con el cañón, se emite un fotón perpendicularmente desde la superficie interior del cañón y el espejo curvo lo enfoca hacia la antena de bocina. La señal detectada en la antena de bocina luego se envía a una tubería de electrónica de adquisición de datos y se convierte en un espectro de potencia, que indica la potencia de los diferentes componentes de frecuencia en la señal. Sin la detección de materia oscura, la señal sólo contendrá ruido. Si se detecta materia oscura, habrá un exceso de energía en una frecuencia particular, lo que dará como resultado un pico que excede el ruido.
Los autores recopilaron datos de este sistema durante aproximadamente un mes. Además de permitir que el sistema intente detectar materia oscura, también inyectaron dos señales falsas en el sistema para probar qué tan bien su experimento puede identificar una señal. Los autores descubrieron que podían identificar las frecuencias de las señales inyectadas con significados de 30σ y 40σ (es decir, muy bien). Después de eliminar los datos de las señales inyectadas (que se muestran en la Figura 2), el mayor exceso de potencia en la señal se observó a 10,829 GHz con un significado de 2σ, que es demasiado pequeño para reclamar una detección. Utilizando esta medición, los autores pudieron calcular un límite superior en el parámetro de mezcla entre fotones y fotones oscuros χ, una cantidad que describe la conversión de fotones oscuros en fotones. Encontraron χ≲10-12 para masas de 44-52 μeV con un nivel de confianza del 90%. La Figura 3 muestra esta restricción de χ en el contexto de los resultados de otras búsquedas de materia oscura. Puede ver que el resultado de GigaBREAD supera los límites impuestos por la cosmología en más de dos órdenes de magnitud y proporciona la restricción más sensible para masas entre 44 y 49 μeV. Estos resultados indican que GigaBREAD es una prueba de concepto exitosa del innovador método de detección de materia oscura de BREAD, y esperamos ansiosamente resultados futuros.
Astrobite editado por Caroline von Raesfeld
Crédito de la imagen destacada: Adaptado de Wikimedia Commons y Figura 1 del artículo de hoy.
Acerca de Cesiley King
Actualmente soy candidato a doctorado de cuarto año en la Universidad Case Western Reserve. Trabajo en instrumentación para CMB-S4, un experimento de fondo cósmico de microondas (CMB) terrestre de próxima generación. También estoy trabajando en el análisis de datos del segundo vuelo de Spider (un experimento CMB a bordo de un globo).
