Lo studio impone nuovi vincoli sulla miscelazione cinetica della materia oscura con fotoni nascosti.

13 luglio 2023

caratteristica

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editor hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità dei contenuti:

• verifica dei fatti
• pubblicazione sottoposta a revisione tra pari
• fonte affidabile
• corretto

di Ingrid Fadelli, Phys.org

Poiché la materia oscura è composta da particelle che non assorbono, emettono o riflettono la luce, non può essere osservata direttamente con i metodi utilizzati per osservare la materia convenzionale. Negli ultimi anni, gli astrofisici di tutto il mondo hanno quindi ideato metodi che potrebbero aiutare a rilevare questo elusivo tipo di materia.

Ricercatori del California Institute of Technology hanno recentemente imposto nuovi vincoli di rilevamento diretto alla materia oscura a base di fotoni oscuri, un candidato di materia oscura ipotizzato per avere una debole interazione con i fotoni ordinari (luce). Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, introduce un nuovo approccio alla ricerca di fotoni nascosti.

"La sensibilità di un esperimento di materia oscura a base di fotoni nascosti dipende dalla forza del segnale di materia oscura rispetto al segnale più piccolo che si può rilevare", ha spiegato Nikita Klimovich, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org. "Per le ricerche di fotoni nascosti, l'ampiezza del segnale di materia oscura scala con l'area del piatto di metallo utilizzato, mentre il livello minimo di segnale rilevabile è in gran parte determinato dal livello di rumore degli amplificatori utilizzati per leggere l'antenna."

Il recente lavoro di Klimovich e dei suoi colleghi si basa su ricerche passate sulla materia oscura nascosta, come l'esperimento SHUKET. L'esperimento SHUKET è un ambizioso sforzo di ricerca volto a rilevare la materia oscura ultra-leggera utilizzando un telescopio elettromagnetico.

"Le ricerche precedenti che hanno ispirato questo lavoro, come l'esperimento SHUKET, miravano in generale a massimizzare la potenza del segnale mediante l'utilizzo di un piatto molto grande e utilizzando i migliori amplificatori a basso rumore disponibili in commercio a cui avevano accesso," ha spiegato Klimovich.

"Karthik Ramanathan ha realizzato che avevamo il potenziale di adottare un approccio opposto."

"Utilizzando amplificatori a rumore limitato dalla quantità che stavo sviluppando e svolgendo l'intero esperimento a temperature di milliKelvin, abbiamo potuto ridurre significativamente i livelli minimi di segnale che potevamo rilevare rispetto ad altri esperimenti che utilizzavano tecnologie a basso rumore (ma non a rumore limitato dalla quantità) disponibili in commercio,",

L'approccio proposto dal team per la ricerca di fotoni nascosti presenta un importante svantaggio. In particolare, il poco spazio disponibile all'interno di un criostato limiterebbe significativamente la dimensione del piatto che potrebbero utilizzare, risultando in un segnale grezzo significativamente inferiore a quello rilevato da altri esperimenti, compreso SHUKET.

Tuttavia, Klimovich, Ramanathan e i loro colleghi speravano che la maggiore sensibilità della misura raccolta con il loro metodo compensasse questa limitazione, consentendo loro di impostare nuovi limiti sulla rilevazione dei fotoni oscuri. Nei loro esperimenti, hanno essenzialmente esaminato il segnale emesso da un piatto metallico sferico, confrontandolo con quello di un cosiddetto carico di riferimento.

"Se un fotone nascosto esistesse con una massa corrispondente alla gamma di frequenza a cui eravamo sensibili, dovremmo vedere un piccolo eccesso di potenza proveniente dal piatto rispetto al riferimento", ha detto Klimovich. "Poiché non abbiamo visto alcun segnale del genere, abbiamo potuto impostare un nuovo limite superiore sul collegamento di una particella di fotone nascosto al campo elettromagnetico in base al livello minimo di segnale che avremmo potuto rilevare."

Utilizzando il loro approccio proposto, i ricercatori sono stati in grado di introdurre nuovi vincoli rigorosi sulla rilevazione diretta dei fotoni nascosti. Sebbene finora non abbiano rilevato questo candidato di materia oscura, sperano che il loro approccio venga utilizzato per effettuare ulteriori ricerche, contribuendo alla sua rilevazione.

"Oltre ai nuovi limiti imposti alla rilevazione, abbiamo dimostrato un approccio molto accessibile per gli esperimenti di fotoni nascosti in futuro", ha aggiunto Klimovich.

"Una ricerca di materia oscura di tipo QUALIPHIDE sarebbe un esperimento economico e relativamente semplice per la maggior parte dei gruppi di ricerca che hanno accesso ad amplificatori a rumore limitato dalla quantità. Speriamo di utilizzare una metodologia simile sia per cercare fotoni nascosti a frequenze più elevate (dove i vincoli attuali sul collegamento di fotoni nascosti sono più deboli) sia per potenziare la configurazione e consentire la rilevazione di altri tipi di materia oscura, come gli azzurri."

Maggiori informazioni: 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

© 2023 Science X Network