El estudio establece nuevas restricciones sobre la mezcla cinética de la materia oscura de fotones ocultos.

13 de julio de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli , Phys.org

Dado que la materia oscura está compuesta por partículas que no absorben, emiten ni reflejan luz, no se puede observar directamente con los métodos utilizados para observar la materia convencional. En los últimos años, los astrofísicos de todo el mundo han estado ideando métodos que podrían ayudar a detectar este elusivo tipo de materia.

Investigadores del Instituto de Tecnología de California recientemente establecieron nuevas restricciones de detección directa en materia oscura de fotón oscuro oculto, un candidato de materia oscura que se hipotetiza que tiene una interacción débil con los fotones ordinarios (luz). Su artículo, publicado en Physical Review Letters, introduce un nuevo enfoque para buscar fotones ocultos.

"La sensibilidad de un experimento de materia oscura de fotón oculto depende de la intensidad de la señal de materia oscura en comparación con la señal más pequeña que se puede detectar", dijo Nikita Klimovich, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. "Para las búsquedas de fotones ocultos, la amplitud de la señal de materia oscura aumenta con el área del plato de metal utilizado, mientras que el nivel mínimo detectable de señal está determinado en gran medida por el nivel de ruido de los amplificadores utilizados para leer la antena".

El trabajo reciente de Klimovich y sus colegas se basa en búsquedas pasadas de materia oscura oculta, como el experimento SHUKET. El experimento SHUKET es un ambicioso esfuerzo de investigación destinado a detectar materia oscura ultraligera utilizando un telescopio electromagnético.

"Las búsquedas anteriores que inspiraron este trabajo, como el experimento SHUKET, generalmente buscaban maximizar la intensidad de la señal mediante el uso de un plato muy grande mientras utilizaban los mejores amplificadores de bajo ruido disponibles comercialmente a los que tenían acceso", explicó Klimovich.

"Karthik Ramanathan se dio cuenta de que teníamos el potencial de tomar el enfoque opuesto".

"Utilizando amplificadores limitados cuánticamente que estaba desarrollando y realizando todo el experimento a temperaturas de milikelvin, pudimos reducir significativamente los niveles de señal mínimos que podíamos detectar en comparación con otros experimentos que utilizaban tecnología de bajo ruido disponible comercialmente (pero no de ruido limitado cuánticamente)",

El enfoque propuesto por el equipo para buscar fotones ocultos tiene una desventaja clave. Específicamente, el poco espacio disponible dentro de un criostato limitaría significativamente el tamaño del plato que podrían usar, lo que resultaría en una señal en bruto significativamente menor que la detectada por otros experimentos, incluido SHUKET.

No obstante, Klimovich, Ramanathan y sus colegas esperaban que la mayor sensibilidad de la medición recopilada utilizando su método compensara esta limitación, lo que les permitiría establecer nuevos límites en la detección de fotones oscuros. En sus experimentos, básicamente examinaron la señal emitida por un plato metálico esférico, comparándola con la llamada carga de referencia.

"Si existiera un fotón oculto con una masa correspondiente al rango de frecuencias al que éramos sensibles, deberíamos ver una pequeña acumulación de potencia adicional proveniente del plato en comparación con la referencia", dijo Klimovich. "Dado que no vimos tal señal, pudimos establecer un nuevo límite superior para el acoplamiento de una partícula de fotón oculta a un campo electromagnético según el nivel mínimo de señal que habríamos podido detectar".

Utilizando su enfoque propuesto, los investigadores pudieron introducir nuevas restricciones rigurosas en la detección directa de fotones ocultos. Aunque hasta ahora no detectaron este candidato de materia oscura, esperan que su enfoque se utilice para llevar a cabo más búsquedas, lo que finalmente contribuirá a su detección.

"Además de los nuevos límites establecidos en la detección, hemos demostrado un enfoque muy accesible para experimentos de fotones ocultos en el futuro", agregó Klimovich.

"Una búsqueda de materia oscura de tipo QUALIPHIDE sería un experimento barato y relativamente simple para la mayoría de los grupos de investigación que tienen acceso a amplificadores con límite cuántico. Esperamos utilizar una metodología similar tanto para buscar fotones ocultos a frecuencias más altas (donde las restricciones actuales sobre el acoplamiento de fotones ocultos son más débiles) como para mejorar la configuración para permitir la detección de otros tipos de materia oscura como axiones".

Más información: K. Ramanathan et al, Wideband Direct Detection Constraints on Hidden Photon Dark Matter with the QUALIPHIDE Experiment, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.231001

Journal information: Physical Review Letters

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