ALLA RICERCA DI ASSIONI CON UN NUOVO DESIGN DI ALOSCOPIO A CAVITÀ

Materia oscura, una pizza t’incastrerà

Un team di ricerca guidato dal Capp – il Center for Axion and Precision Physics Research, in Corea del Sud – ha sviluppato un nuovo design di una cavità multicella, soprannominato "pizza cavity", che consente di estendere la banda di ricerca degli assioni a regioni a frequenza più elevata rispetto a quelle attualmente esplorate. Tutti i dettagli su Physical Review Letters

     15/12/2020
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Mappa tridimensionale della materia oscura. Crediti: Nasa, Esa e R. Massey (Caltech)

Nonostante la sua massa molto piccola, l’esistenza dell’assione – una volta dimostrata – potrebbe indicare la strada verso una nuova fisica, oltre il Modello standard. Inizialmente introdotta per spiegare la non violazione della simmetria CP nell’interazione forte (che tiene insieme protoni e neutroni), questa ipotetica particella è anche un candidato particolarmente attraente per la materia oscura. Tuttavia, anche se gli assioni esistessero in un numero abbastanza grande da poter spiegare la massa “mancante” dell’universo, la ricerca di questa materia oscura è stata finora piuttosto impegnativa.

Gli scienziati ritengono che quando un assione interagisce con un campo magnetico, la sua energia viene convertita in un fotone nella banda di frequenza delle microonde. Sperando di riuscire a sintonizzarsi sulla frequenza giusta, stanno usano un aloscopio a cavità come rilevatore a microonde. In un risonatore cilindrico posto in un solenoide, il campo magnetico che riempie la cavità aumenta il segnale. L’aloscopio consente inoltre agli scienziati di regolare continuamente la frequenza di risonanza della cavità. Tuttavia, l’esperimento di ricerca degli assioni più sensibile, l’Axion Dark Matter eXperiment (Admx) – presso l’Università di Washington – ha cercato in regioni a bassa frequenza, al di sotto di 1 GHz, poiché la scansione di regioni a frequenza più alta richiede un raggio della cavità più piccolo, con conseguente perdita di volume e quindi un minor segnale (figura 1-2 dell’immagine sottostante).

Un team di ricerca guidato da Youn SungWoo – presso il Center for Axion and Precision Physics Research (Capp) all’interno dell’Istituto per le scienze di base (Ibs) in Corea del Sud – ha sviluppato un nuovo design di cavità multicella, soprannominato “pizza cavity”. Proprio come le pizze vengono tagliate in più fette, partizioni multiple dividono verticalmente il volume della cavità in parti identiche (celle). Con quasi nessuna perdita di volume, questo aloscopio a celle multiple consente di ottenere un output significativo dalla scansione della banda ad alta frequenza (figura 1-5 dell’immagine sottostante). Sebbene ci siano stati tentativi per raggruppare insieme cavità più piccole (figura 1-3 dell’immagine sottostante) e combinare i segnali individuali con tutte le cavità sintonizzate alla stessa frequenza, la sua configurazione complicata e il non banale meccanismo di matching della frequenza hanno rappresentato veri e propri colli di bottiglia. «Questo aloscopio presenta una configurazione del rilevatore più semplice e un meccanismo di phase-matching unico, nonché un volume di rilevamento più ampio rispetto al design di una multi-cavità convenzionale», osserva Youn SungWoo.

Progetti di cavità con varie sezioni interne (da sinistra a destra): 1) singola grande cavità, 2) singola piccola cavità, 3) cavità multiple piccole, 4) cavità a celle multiple (pizza cavity), 5) cavità a celle multiple con un gap. Crediti: Ibs/Caap

I ricercatori hanno dimostrato che la cavità multicella è in grado di rilevare segnali ad alta frequenza con maggiore efficienza e affidabilità. In un esperimento che utilizzava un magnete superconduttore 9T a una temperatura di 2 kelvin (−271 °C), il team ha scansionato rapidamente un intervallo di frequenza di oltre 200 MHz sopra a 3 GHz, che è una regione tra 4 e 5 volte superiore a quella dell’Admx, con conseguente maggiore sensibilità ai modelli teorici rispetto ai risultati precedenti ottenuti da altri esperimenti. Anche questo nuovo design della cavità ha permesso ai ricercatori di esplorare una certa gamma di frequenze quattro volte più velocemente di quanto potrebbe fare un esperimento convenzionale.

Ciò che rende questo design a celle multiple semplice da utilizzare è lo spazio nel mezzo, tra le partizioni. Avendo tutte le celle connesse spazialmente, una singola antenna raccoglie il segnale dall’intero volume, consentendo ai ricercatori di valutare se i campi elettromagnetici indotti dall’assione sono distribuiti uniformemente in tutta la cavità, che è ritenuto fondamentale per ottenere il massimo volume effettivo. «Tuttavia, l’imprecisione e il disallineamento nella costruzione della cavità potrebbero ostacolare la sensibilità. Per questo motivo, questo design a più celle consente di alleviare questo potenziale problema regolando la dimensione dello spazio nel mezzo, senza sprecare volume», spiega Youn.

Vista in sezione trasversale di varie cavità a celle multiple (a doppia, quadrupla e octupla) con la distribuzione prevista del campo elettrico indotto da assioni (simulazione). Crediti: Ibs/Caap

I vasti sforzi compiuti dal team in due anni di attività di ricerca, hanno portato a un design ottimale per la ricerca della materia oscura assionica nelle regioni ad alta frequenza. Ora il gruppo sta cercando di incorporare diverse cavità multi-cella nei sistemi esistenti al Capp per estendere la banda di ricerca degli assioni a regioni a frequenza più elevata, rispetto a quelle attualmente esplorate.

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