A detecção do áxion marcaria um episódio-chave na história da ciência. Essa partícula hipotética poderia resolver dois problemas fundamentais da Física Moderna ao mesmo tempo: o problema da Carga e da Paridade na interação forte e o mistério da matéria escura. 

As caixas mostram como os filamentos e superaglomerados de galáxias crescem ao longo do tempo, de bilhões de anos após o Big Bang às estruturas atuais. Crédito: Modificação de obra por CXC / MPE / V. Springel

No entanto, apesar do grande interesse científico em encontrá-la, a busca em alta frequência de rádio - acima de 6 GHz - foi quase deixada de lado pela falta da tecnologia de alta sensibilidade que poderia ser construída a um custo razoável. Até agora.

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O Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) participará de uma colaboração internacional para o desenvolvimento do experimento DALI (Dark-photons & Axion-Like Partitions), um telescópio de astro-partícula para matéria escura cujo objetivo científico é a busca de áxions e parafótons na banda de 6 a 60 GHz. O protótipo, prova de conceito, está atualmente em fase de projeto e fabricação no IAC. O white-paper que descreve o experimento foi aceito para publicação no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Previsto pela teoria na década de 1970, o áxion é uma partícula hipotética de baixa massa que interage fracamente com partículas padrão, como núcleos e elétrons, bem como com fótons. Essas interações propostas são estudadas para tentar detectar o áxion com diferentes tipos de instrumentos. Uma técnica promissora é estudar a interação de áxions com fótons padrão.

"Áxions 'se' misturam 'com fótons sob a ação de um forte campo magnético externo, como os produzidos pelos ímãs supercondutores em detectores de partículas ou aqueles usados para diagnósticos médicos por ressonância magnética e produzem um sinal fraco de rádio ou micro-ondas. Este sinal foi procurado em uma variedade de experimentos desde o final dos anos 80, e é apenas o sinal que queremos detectar agora com DALI, embora em uma nova gama de parâmetros quase inexplorada, que será acessível pela primeira vez graças a esta experiência", explica Javier De Miguel, investigador do IAC e primeiro autor do estudo.

Os primeiros detectores de áxion, fabricados nas décadas de 80 e 90, usavam uma cavidade ressonante que, dentro de um superimã, ampliava o fraco sinal de micro-ondas previsto pelo áxion, tentando trazê-lo para uma faixa de potência detectável por instrumentos científicos. Infelizmente, o tamanho da cavidade é inversamente proporcional à frequência de varredura e, para o áxion, as cobaias eram muito pequenas para serem feitos para frequências maiores do que 6 GHz.

Por isso, o novo experimento reúne as técnicas mais promissoras de varredura em altas frequências, e inclui em um projeto prático ao qual se soma a capacidade de detectores de astropartículas para matéria escura axiônica. Desta forma, o DALI compreende um poderoso ímã supercondutor, um detector de áxions com um novo ressonador para tornar detectável o sinal fraco causado pelos áxions e uma montagem de altazimute para permitir a varredura de objetos e regiões no céu em busca de matéria escura.

Dessa forma, o DALI poderia ajudar na detecção do áxion, uma partícula pseudo-escalar de natureza semelhante à do bóson de Higgs, descoberta em 2012 no CERN, e uma candidata promissora para a matéria escura. A matéria escura é um constituinte fundamental do Universo que interage muito fracamente com a matéria comum, e por isso é muito difícil de detectar diretamente, mas cuja descoberta nos permitiria explicar as curvas de rotação das galáxias espirais, e por que a formação da estrutura no O Universo se desenvolveu da maneira que se desenvolveu até agora, entre outros mistérios.

More information: Javier De Miguel, Um telescópio de matéria escura sondando a banda de 6 a 60 GHz, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2021). DOI: 10.1088 / 1475-7516 / 2021/04/075

Fonte: Phys