El experimento modelo independiente más sensible del mundo comienza a buscar materia oscura

El experimento independiente del modelo más sensible del mundo para buscar partículas particularmente ligeras, de las que puede estar compuesta la materia oscura, comienza hoy en DESY en la forma del experimento ALPS II ‘luz que brilla a través de una pared’. Los cálculos científicos predicen que esta siniestra forma de materia debe ocurrir cinco veces más a menudo en el universo que la materia visible normal. Sin embargo, hasta el momento nadie ha podido identificar partículas de esta sustancia; el experimento ALPS ahora podría proporcionar tal evidencia.

El experimento ALPS (Any Light Particle Search), que abarca una longitud total de 250 metros, está buscando un tipo particularmente ligero de nueva partícula elemental. Usando veinticuatro imanes superconductores reciclados del acelerador HERA, un rayo láser intenso, interferometría de precisión y detectores altamente sensibles, el equipo de investigación internacional quiere buscar estos llamados axiones o partículas similares a axiones.

Se cree que tales partículas reaccionan muy débilmente con tipos conocidos de materia, lo que significa que no pueden detectarse en experimentos con aceleradores. Por lo tanto, ALPS recurre a un principio completamente diferente para detectarlos: en un fuerte campo magnético, los fotones, es decir, las partículas de luz, pueden transformarse en estas misteriosas partículas elementales y volver a la luz.

«La idea de un experimento como ALPS existe desde hace más de 30 años. Usando componentes e infraestructura del antiguo acelerador HERA, junto con tecnologías de vanguardia, ahora podemos realizar ALPS II en una colaboración por primera vez». dice Beate Heinemann, Directora de Física de Partículas en DESY.

Helmut Dosch, presidente de la junta directiva de DESY, agrega: «DESY se ha propuesto la tarea de decodificar la materia en todas sus diferentes formas. Por lo tanto, ALPS II encaja perfectamente en nuestra estrategia de investigación y quizás abra la puerta a la materia oscura».

El equipo de ALPS envía un rayo láser de alta intensidad a través de un dispositivo llamado resonador óptico en un tubo de vacío de aproximadamente 120 metros de largo, en el que el rayo se refleja de un lado a otro y que está rodeado por doce imanes IVY dispuestos en línea recta. . Si un fotón se convirtiera en un axión en el fuerte campo magnético, ese axión podría atravesar la pared opaca al final de la fila de imanes.

Una vez atravesada la pared, entraría en otro rastro magnético casi idéntico al primero. Aquí, el axión podría volver a transformarse en un fotón, que sería capturado por el detector al final. Aquí se instala un segundo resonador óptico para aumentar la probabilidad de que un axión vuelva a ser un fotón por un factor de 10.000.

Esto significa que si la luz llega detrás de la pared, debe haber un axión en el medio. «Sin embargo, a pesar de todos nuestros trucos técnicos, la probabilidad de que un fotón se convierta en un axión y viceversa es muy pequeña», dice Axel Lindner de DESY, líder del proyecto y portavoz de la colaboración ALPS, «como lanzar 33 dados y todos salen». arriba.

Para que el experimento realmente funcionara, los investigadores tuvieron que ajustar todos los diferentes componentes del dispositivo para obtener el máximo rendimiento. El detector de luz es tan sensible que puede detectar un solo fotón al día. La precisión del sistema de espejos para la luz también es récord: la distancia entre los espejos debe permanecer constante en una fracción de diámetro atómico en relación con la longitud de onda del láser.

Y los imanes superconductores, cada uno de nueve metros de largo, generan un campo magnético de 5,3 Tesla en el tubo de vacío, más de 100.000 veces la fuerza del campo magnético de la Tierra. Los imanes se tomaron del anillo de protones de 6,3 kilómetros del acelerador HERA y se reciclaron para el proyecto ALPS. Los imanes originalmente estaban curvados por dentro y tuvieron que enderezarse para el experimento para que pudieran almacenar más luz láser; y se ha revisado completamente el equipo de seguridad para operarlos en condiciones superconductoras a menos 269 grados centígrados.

El experimento ALPS fue propuesto originalmente por el teórico DESY Andreas Ringwald, quien también apoyó la motivación teórica del experimento con sus cálculos sobre la extensión del modelo estándar. Ringwald dice: «Los físicos experimentales y teóricos trabajaron muy de cerca para ALPS. El resultado es un experimento que tiene un potencial único para descubrir axiones, que incluso podemos usar para buscar ondas gravitacionales de alta frecuencia».

La búsqueda de axiones comenzará inicialmente en un modo de funcionamiento atenuado, lo que simplifica la búsqueda de «luz de fondo» que puede indicar falsamente la presencia de axiones. El experimento debería alcanzar su máxima sensibilidad en la segunda mitad de 2023. El sistema de espejos debería actualizarse en 2024 y también podría instalarse un detector de luz alternativo más adelante.

Los científicos esperan publicar los primeros resultados de ALPS en 2024. Lindner está convencido: «Incluso si no encontramos partículas ligeras con ALPS, el experimento cambiará los límites de exclusión para partículas ultraligeras en un factor de 1000».

En general, alrededor de 30 científicos han unido fuerzas en la colaboración internacional ALPS. Proceden de siete instituciones de investigación: además de DESY, el Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein), el Instituto de Física Gravitacional de la Universidad Leibniz de Hannover, la Universidad de Cardiff (Reino Unido), la Universidad de Florida (Gainesville , Florida, EE. UU.), la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, la Universidad de Hamburgo y la Universidad del Sur de Dinamarca (Odense) están involucradas.

Los investigadores ya están haciendo planes para el tiempo posterior a la búsqueda actual de axiones. Por ejemplo, quieren utilizar ALPS para averiguar si un campo magnético influye en la propagación de la luz en el vacío, como predijeron hace décadas Euler y Heisenberg. Y los investigadores también quieren usar la configuración experimental para detectar ondas gravitacionales de alta frecuencia.

¿Qué son los axones?

Los axiones son partículas elementales hipotéticas. Son parte de un mecanismo físico postulado por el físico teórico Roberto Peccei y su colega Helen Quinn en 1977 para resolver un problema de interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En 1978, los físicos teóricos Frank Wilczek y Steven Weinberg vincularon una nueva partícula a este mecanismo de Peccei-Quinn.

Dado que esta partícula «limpiaría» la teoría, Wilczek la llamó «axión» por un detergente. Varias extensiones diferentes del modelo estándar de física de partículas predicen la existencia de axiones o partículas similares a axiones. Si lo hicieran, resolverían una gran cantidad de problemas que actualmente desconciertan a los físicos, incluido el hecho de ser candidatos para los componentes básicos de la materia oscura. Según los cálculos actuales, esta materia oscura debería ser unas cinco veces más abundante en el universo que la materia normal.