Como a matéria escura é composta por partículas que não absorvem, emitem ou refletem luz, ela não pode ser observada diretamente com os métodos usados para observar a matéria convencional. Nos últimos anos, astrofísicos de todo o mundo desenvolveram métodos que poderiam ajudar a detectar esse tipo de matéria indescritível.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia recentemente estabeleceram novas restrições de detecção direta em matéria escura de fótons ocultos ou escuros, um candidato a matéria escura que supostamente tem uma interação fraca com fótons comuns (luz). Seu artigo, publicado na Physical Review Letters, apresenta uma nova abordagem para procurar fótons ocultos.
“A sensibilidade de um experimento de fótons ocultos com matéria escura depende da força do sinal da matéria escura em comparação com o menor sinal que você pode detectar”, disse Nikita Klimovich, um dos pesquisadores que realizou o estudo, à Phys.org. “Para buscas de fótons ocultos, a amplitude do sinal de matéria escura escala com a área do prato de metal usado, enquanto o nível mínimo de sinal detectável é amplamente determinado pelo nível de ruído dos amplificadores usados para ler a antena”.
O trabalho recente de Klimovich e seus colegas se baseia em pesquisas anteriores de matéria escura oculta, como o experimento SHUKET. O experimento SHUKET é um ambicioso esforço de pesquisa destinado a detectar matéria escura ultraleve usando um telescópio eletromagnético.
“Pesquisas anteriores que inspiraram este trabalho, como o experimento SHUKET, geralmente visavam maximizar a força do sinal por meio de um prato muito grande enquanto usavam os melhores amplificadores de baixo ruído disponíveis comercialmente aos quais eles tinham acesso”, explicou Klimovich.
“Karthik Ramanathan percebeu que tínhamos potencial para adotar a abordagem oposta.”
“Usando amplificadores quânticos limitados que eu estava desenvolvendo e realizando todo o experimento em temperaturas miliKelvin, pudemos reduzir significativamente os níveis mínimos de sinal que pudemos detectar em comparação com outros experimentos usando baixo ruído padrão (mas não ruído quântico limitado). tecnologia,”
A abordagem proposta pela equipe para procurar fótons ocultos tem uma desvantagem importante. Especificamente, o pouco espaço disponível dentro de um criostato limitaria significativamente o tamanho do prato que eles poderiam usar, resultando em um sinal bruto significativamente menor do que o detectado por outros experimentos, incluindo o SHUKET.
No entanto, Klimovich, Ramanathan e seus colegas esperavam que o aumento da sensibilidade da medição coletada usando seu método compensasse essa limitação, permitindo-lhes estabelecer novos limites na detecção de fótons escuros. Em seus experimentos, eles examinaram essencialmente o sinal emitido por um prato metálico esférico, comparando-o com o da chamada carga de referência.
“Se existisse um fóton oculto com uma massa correspondente à faixa de frequência à qual éramos sensíveis, deveríamos ver um pequeno excesso de energia vindo do prato em comparação com a referência”, disse Klimovich. “Como não vimos esse sinal, pudemos definir um novo limite superior no acoplamento de uma partícula de fóton oculta ao campo eletromagnético com base no menor nível de sinal que poderíamos detectar”.
Usando a abordagem proposta, os pesquisadores foram capazes de introduzir novas restrições rigorosas na detecção direta de fótons ocultos. Embora até agora não tenham detectado esse candidato a matéria escura, eles esperam que sua abordagem seja usada para realizar novas pesquisas, contribuindo para sua detecção.
“Além dos novos limites estabelecidos na detecção, demonstramos uma abordagem muito acessível para experimentos de fótons ocultos no futuro”, acrescentou Klimovich.
“Uma pesquisa de matéria escura do tipo QUALIPHIDE seria um experimento barato e relativamente simples para a maioria dos grupos de pesquisa que têm acesso a amplificadores quânticos limitados. Esperamos usar uma metodologia semelhante para pesquisar fótons ocultos em frequências mais altas (onde a corrente as restrições no acoplamento de fótons ocultos são mais fracas) e aprimoram a configuração para permitir a detecção de outros tipos de matéria escura, como áxions.”
Publicado em 15/07/2023 16h38
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