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Telescopio astronómico de materia oscura de partículas

Los recuadros muestran cómo los supercúmulos galácticos y los filamentos crecen con el tiempo, desde miles de millones de años después del Big Bang hasta las estructuras actuales. Crédito: Trabajo modificado por CXC / MPE / V. Springel

El descubrimiento del axión marca un vínculo importante en la historia de la ciencia. Esta partícula hipotética podría resolver dos problemas fundamentales de la física moderna simultáneamente: el problema de carga y valencia de una interacción fuerte y el rompecabezas de la materia oscura. Sin embargo, a pesar del gran interés científico en encontrarlo, la investigación en altas frecuencias de radio, por encima de 6 GHz, se ha dejado casi de lado debido a la falta de tecnología de alta sensibilidad que se pueda construir a un costo asequible. hasta ahora.

El Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) participará en una cooperación internacional para desarrollar DALI (Fotones oscuros y Axion– partícula como superposiciónEl Experimento del Telescopio Astronómico de Partículas de Materia Oscura, cuyo objetivo científico es buscar axones y parafotones en el rango de 6 a 60 GHz. El prototipo, Proof of Concept, se encuentra actualmente en la etapa de diseño y fabricación de IAC. La libros blancos La descripción del experimento ha sido aceptada para su publicación en Revista de cosmología y astrofísica (JCAP).

En la década de 1970, la teoría predijo que el axión es una partícula hipotética de baja masa que interactúa débilmente con partículas estándar como nucleones y electrones, así como con fotones. Estas interacciones propuestas se han estudiado en un intento de revelar axones con diferentes tipos de instrumentos. Una técnica prometedora es estudiar la interacción de los axones con los fotones estándar.

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Los axones se “mezclan” con fotones bajo la influencia de un fuerte campo magnético externo, como los que producen los imanes superconductores en los detectores de partículas o los que se utilizan en el diagnóstico médico por resonancia magnética, y producen una señal de radio o microondas débil. Esta señal ha sido investigada en una variedad de experimentos desde finales de la década de 1980, y es solo la señal que queremos detectar ahora con DALI, aunque hay un nuevo conjunto de parámetros, casi por descubrir, que estará disponible para el primera vez gracias a este experimento, explica Javier De Miguel, investigador del IAC y primer autor del estudio.

Los primeros detectores coaxiales, fabricados en las décadas de 1980 y 1990, utilizaron una cavidad resonante, dentro de un superimán, que amplificaba la débil señal de microondas esperada del eje, en un esfuerzo por encajarla en un rango de potencia que pudiera ser detectado por instrumentos científicos. Desafortunadamente, el tamaño del orificio es inversamente proporcional a la frecuencia de exploración, y para el axión, los lúmenes eran demasiado pequeños para ser fabricados para frecuencias superiores a aproximadamente 6 GHz.

Por esta razón, el nuevo experimento combina la tecnología de escaneo de alta frecuencia más prometedora y la incorpora en un diseño práctico que también se suma a la capacidad de los detectores astronómicos de partículas de materia oscura coaxial. De esta forma, DALI incluye un potente imán superconductor, un detector de axiones con un nuevo resonador para hacer detectable la señal débil inducida por los axones y un ultrasimulador que le permite escanear objetos y áreas del cielo en busca de materia oscura.

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De esta forma, DALI podría ayudar a descubrir el axón, una pseudopartícula de naturaleza similar a la del bosón de Higgs, que fue descubierta en 2012 en CERNY un candidato prometedor para la materia oscura. La materia oscura es un componente fundamental del universo que interactúa muy débilmente con la materia ordinaria y, por tanto, muy difícil de detectar directamente, pero su descubrimiento nos permitirá explicar las curvas de rotación de las galaxias espirales y por qué la estructura está en galaxias espirales. El universo evolucionó de la forma en que lo hizo hasta ahora, entre otros misterios.

Referencia: “El telescopio de materia oscura examina el rango de 6 a 60 GHz” por Javier de Miguel, 28 de abril de 2021, Revista de cosmología y astrofísica.
DOI: 10.1088 / 1475-7516 / 2021/04/075