Experimento demuestra ultrasensibilidad para búsquedas de fotones oscuros

Los científicos que trabajan en el experimento Dark SRF en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU. han demostrado una sensibilidad sin precedentes en una configuración experimental utilizada para buscar partículas teóricas llamadas fotones oscuros.

Los investigadores atraparon fotones ordinarios sin masa en dispositivos llamados cavidades superconductoras de radiofrecuencia para buscar la transición de estos fotones a sus contrapartes hipotéticas del sector oscuro. El experimento colocó la mejor restricción del mundo sobre la existencia de fotones oscuros en un rango de masa específico, como se publicó recientemente en cartas de revisión física.

«El fotón oscuro es una copia similar del fotón que conocemos y amamos, pero con algunas variaciones», dijo Roni Harnik, investigador del Centro de Materiales y Sistemas Cuánticos Superconductores de Fermilab y coautor de este estudio.

La luz que nos permite ver la materia ordinaria en nuestro mundo está formada por partículas llamadas fotones. Pero la materia ordinaria constituye solo una pequeña fracción de toda la materia. Nuestro universo está lleno de una sustancia desconocida llamada materia oscura, que comprende el 85% de toda la materia. El modelo estándar que describe partículas y fuerzas conocidas está incompleto.

En la versión más simple de los teóricos, un tipo no descubierto de partícula de materia oscura podría ser responsable de toda la materia oscura del universo. Pero muchos científicos sospechan que el sector oscuro del universo tiene muchas partículas y fuerzas diferentes; algunos de ellos pueden tener interacciones ocultas con partículas y fuerzas de materia ordinaria.

Así como el electrón tiene copias que difieren en algunos aspectos, incluidos el muón y el tau, el fotón oscuro sería diferente del fotón normal y tendría masa. Teóricamente, una vez producidos, los fotones y los fotones oscuros podrían transformarse entre sí a una velocidad específica definida por las propiedades del fotón oscuro.

Uso innovador de las cavidades SRF

Para buscar fotones oscuros, los investigadores realizan un tipo de experimento llamado experimento de luz que brilla a través de la pared. Este enfoque utiliza dos cavidades metálicas huecas para detectar la transformación de un fotón ordinario en un fotón de materia oscura. Los científicos almacenan fotones ordinarios en una cavidad mientras dejan la otra cavidad vacía. Luego buscan oleadas de fotones en la cavidad vacía.

Los investigadores de Fermilab en el Centro SQMS tienen años de experiencia trabajando con cavidades SRF, que se utilizan principalmente en aceleradores de partículas. Los investigadores del Centro SQMS ahora están empleando cavidades SRF para otros fines, como la computación cuántica y la investigación de la materia oscura, debido a su capacidad para almacenar y aprovechar la energía electromagnética con alta eficiencia.

“Estábamos buscando otras aplicaciones con cavidades de radiofrecuencia superconductoras y me enteré de estos experimentos en los que usan dos cavidades de cobre una al lado de la otra para probar la luz que brilla a través de la pared”, dijo Alexander Romanenko, líder de tecnología cuántica en el Centro SQMS. «Me quedó claro de inmediato que podíamos demostrar una mayor sensibilidad con los pozos SRF que los pozos utilizados en experimentos anteriores».

Este experimento marca la primera demostración del uso de cavidades SRF para realizar un experimento de luz que brilla a través de la pared.

Las cavidades SRF utilizadas por Romanenko y sus colaboradores son piezas huecas de niobio. Cuando se enfrían a temperaturas ultrabajas, estas cavidades almacenan fotones, o paquetes de energía electromagnética, muy bien. Para el experimento Dark SRF, los científicos enfriaron los pozos SRF en un baño de helio líquido a aproximadamente 2 K, cerca del cero absoluto.

A esa temperatura, la energía electromagnética fluye sin esfuerzo a través del niobio, lo que hace que estas cavidades sean eficientes para almacenar fotones.

«Desarrollamos varios esquemas tratando de lidiar con las nuevas oportunidades y desafíos que presentan estas cavidades superconductoras de muy alta calidad para este experimento de luz que brilla a través de la pared», dijo el coautor del estudio Zhen Liu, físico del Centro SQMS y miembro del equipo de detección de la Universidad de Minnesota.

Los investigadores ahora pueden usar cavidades SRF con diferentes frecuencias resonantes para cubrir varias partes del rango de masa potencial de los fotones oscuros. Esto se debe a que la sensibilidad máxima en la masa de fotones oscuros está directamente relacionada con la frecuencia de los fotones regulares almacenados en una de las cavidades del SRF.

“El equipo hizo mucho seguimiento y verificación cruzada del experimento”, dijo Liu, quien trabajó en el proyecto de verificación y análisis de datos. «Las cavidades SRF abren muchas nuevas posibilidades de investigación. El hecho de que hayamos cubierto nuevas regiones de parámetros para la masa de fotones oscuros muestra su éxito, competitividad y gran promesa para el futuro».

“El experimento Dark SRF allanó el camino para una nueva clase de experimentos que se están explorando en el Centro SQMS, donde estas cavidades de alto Q se emplean como detectores extremadamente sensibles”, dijo Anna Grassellino, directora del Centro SQMS y co-PI del experimento. «Desde la investigación de la materia oscura hasta las ondas gravitacionales y las pruebas fundamentales de la mecánica cuántica, las cavidades más eficientes de este mundo nos ayudarán a descubrir indicios de nueva física».