El experimento Axion Dark Matter Experiment ( ADMX , también escrito como Axion Dark Matter eXperiment en la documentación del proyecto) es un experimento que utiliza una cavidad de microondas resonante dentro de un gran imán superconductor para buscar axiones de materia oscura fría en el halo de materia oscura galáctica local . Algo inusual para un detector de materia oscura es que no se encuentra en las profundidades del subsuelo. Ubicado en el Centro de Física Nuclear Experimental y Astrofísica (CENPA) de la Universidad de Washington , ADMX es un gran esfuerzo de colaboración con investigadores de universidades y laboratorios de todo el mundo.
El axión es una partícula elemental hipotética que se postuló originalmente para resolver el problema CP fuerte . El axión es también un candidato extremadamente atractivo para la materia oscura . El axión es la pieza del rompecabezas que permite que estos dos misterios encajen de manera natural en nuestra comprensión del universo.
Originalmente se postuló que el axión existía como parte de la solución al "problema CP fuerte". Este problema surgió de la observación de que la fuerza fuerte que mantiene unidos a los núcleos y la fuerza débil que hace que los núcleos se desintegren difieren en la cantidad de violación CP en sus interacciones. Se esperaba que la interacción débil alimentara las interacciones fuertes ( QCD ), produciendo una violación CP QCD apreciable , pero no se ha observado tal violación con una precisión muy alta. Una solución a este problema CP fuerte introduce una nueva partícula llamada axión . Si el axión es muy ligero, interactúa tan débilmente que sería casi imposible de detectar, pero sería un candidato ideal para la materia oscura. El experimento ADMX tiene como objetivo detectar esta partícula extraordinariamente débilmente acoplada.
Aunque la materia oscura no se puede ver directamente, sus interacciones gravitacionales con la materia familiar dejan evidencia inequívoca de su existencia. [ cita requerida ] El universo actual no se vería igual sin la materia oscura. Aproximadamente cinco veces más abundante que la materia ordinaria, la naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la física. Además de resolver el problema CP fuerte , el axión podría proporcionar una respuesta a la pregunta "¿de qué está hecha la materia oscura?". El axión es una partícula neutral que interactúa de manera extraordinariamente débil y podría producirse en la cantidad adecuada para constituir la materia oscura. Si la materia oscura que representa la mayor parte de toda la materia en nuestro universo son axiones, ADMX es uno de los pocos experimentos capaces de detectarla.
Pierre Sikivie inventó el haloscopio de axiones en 1983. [1] Después de que experimentos a menor escala en la Universidad de Florida demostraran la viabilidad del haloscopio de axiones, ADMX se construyó en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en 1995. En 2010, ADMX se trasladó al Centro de Física Experimental y Astrofísica (CENPA) en la Universidad de Washington . Dirigido por el Dr. Leslie Rosenberg, [2] ADMX está experimentando una actualización que le permitirá ser sensible a una amplia gama de masas y acoplamientos plausibles de axiones de materia oscura.
El experimento está diseñado para detectar la débil conversión de axiones de materia oscura en fotones de microondas en presencia de un campo magnético intenso. Si la hipótesis es correcta, un aparato que consiste en un imán de 8 teslas y una cavidad de microondas de alta Q sintonizable y enfriada criogénicamente debería estimular la conversión de axiones en fotones. Cuando la frecuencia de resonancia de la cavidad se sintoniza con la masa del axión, se mejora la interacción entre los axiones cercanos en el halo de la Vía Láctea y el campo magnético de ADMX. Esto da como resultado el depósito de una cantidad minúscula de energía (menos de un yoctowatt) en la cavidad.
Un receptor de microondas extraordinariamente sensible permite extraer la débil señal de axión del ruido. El receptor del experimento presenta un rendimiento de ruido limitado por la energía cuántica proporcionado por un amplificador de dispositivo de interferencia cuántica superconductor (SQUID) y temperaturas más bajas de un refrigerador de 3 He. ADMX es el primer experimento sensible a las masas y acoplamientos de axiones de materia oscura realistas y el detector mejorado permite una búsqueda más sensible.
La cavidad de microondas dentro del orificio del imán es el corazón del ADMX. Es un cilindro circular de 1 metro de largo y 0,5 metros de diámetro. El ADMX busca axiones escaneando lentamente la frecuencia de resonancia de la cavidad ajustando las posiciones de dos varillas de sintonización dentro de la cavidad. Aparece una señal cuando la frecuencia de resonancia de la cavidad coincide con la masa del axión.
La señal esperada de la desintegración axonal es tan pequeña que todo el experimento se enfría muy por debajo de los 4,2 kelvin con un refrigerador de helio líquido para minimizar el ruido térmico. El campo eléctrico dentro de la cavidad se muestrea mediante una pequeña antena conectada a un receptor de microondas de ruido ultrabajo.
El receptor de microondas de ruido ultrabajo hace posible el experimento. El ruido de fondo dominante es el ruido térmico que surge de la cavidad y de la electrónica del receptor. Las señales de la cavidad se amplifican mediante un amplificador de dispositivo de interferencia cuántica superconductor (SQUID) seguido de amplificadores criogénicos HFET de ruido ultrabajo . A continuación, el receptor convierte las frecuencias de la cavidad de microondas a una frecuencia más baja que se puede digitalizar y guardar fácilmente. La cadena del receptor es sensible a potencias inferiores a 10 rontowatts; este es el receptor de microondas con el ruido más bajo del mundo en un entorno de producción.
En 2010, ADMX eliminó uno de los dos modelos de referencia de axiones de 1,9 μeV a 3,53 μeV, asumiendo que los axiones saturan el halo de la Vía Láctea. [3] Una actualización en 2016 debería permitir que ADMX excluya o descubra axiones de materia oscura de 1 μeV a 40 μeV. [4]
En la primera implementación del experimento en 1996, la temperatura de ruido del amplificador era de alrededor de 2 K. [5] En 2009, el amplificador de la primera etapa fue reemplazado por un amplificador SQUID, que redujo en gran medida el ruido (a menos de 100 mK) y mejoró enormemente la sensibilidad. [5] ADMX ha demostrado que el amplificador SQUID permite una sensibilidad de potencia limitada por el cuántico. En 2016, ADMX adquirió los amplificadores paramétricos Josephson que permiten búsquedas limitadas por ruido cuántico a frecuencias más altas. [6]
La incorporación de un refrigerador de dilución fue el principal objetivo del programa de actualización de 2016. [4] El refrigerador de dilución permite enfriar el aparato a 100 mK o menos, reduciendo el ruido a 150 mK, lo que hace que la toma de datos sea 400 veces más rápida. Esto lo convierte en el "Experimento Definitivo".
El haloscopio de Yale Sensitive to Axion CDM, o HAYSTAC (antes conocido como ADMX-High Frequency), alojado en la Universidad de Yale , utiliza un amplificador paramétrico Josephson, un imán de 9 T y una cavidad de microondas con un radio de 5 cm y una altura de 25 cm para buscar masas de 19 a 24 μeV.
ADMX-Orpheus es un experimento ADMX secundario que demuestra el uso de una cavidad Fabry-Pérot cargada dieléctricamente para buscar axiones de mayor masa y fotones oscuros cerca de 70 μeV. En 2022, Orpheus informó los resultados de una primera búsqueda entre 65,5 μeV (15,8 GHz) y 69,3 μeV (16,8 GHz). Con las actualizaciones de hardware, se proyecta que Orpheus realice búsquedas de 45 a 80 μeV. [7]