En un artículo publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturalezaLos investigadores han llevado a cabo la primera búsqueda de fotones oscuros utilizando una red de sensores cuánticos de base larga formada por 15 magnetómetros atómicos, como el halo de materia oscura.
fondo
La detección directa de interacciones no gravitacionales de la materia oscura con campos y partículas del Modelo Estándar (SM) ha seguido siendo difícil de alcanzar a pesar de la evidencia astrofísica de la existencia de materia oscura durante varias décadas. Se han propuesto muchas teorías para abordar esta cuestión, algunas de las cuales postulan la existencia de nuevas partículas fundamentales fuera del modelo SM que podrían formar materia oscura.
Entre estas nuevas partículas, una clase de bosones ligeros, como los fotones y axones oscuros, son candidatos particularmente prometedores para la materia oscura. La existencia de estos bosones fue predicha en teorías básicas que postulan la existencia de dimensiones adicionales. Se han realizado muchos experimentos para detectar materia oscura bosoniana ligera.
Búsquedas anteriores del axión y del fotón oscuro
Investigaciones anteriores se han centrado principalmente en partículas similares a axiones y en axiones que utilizan efectos Primakov inversos, donde estas partículas se convierten en fotones en presencia de un fuerte campo magnético. Sin embargo, las búsquedas de materia oscura cinéticamente mezclada (DPDM) no dependen de campos electromagnéticos, ya que DPDM genera campos magnéticos resonantes/modos de cavidad a través de corrientes oscilatorias efectivas en una cámara blindada electromagnéticamente.
Recientemente, se han utilizado diversas estrategias, incluidos radiotelescopios, espectroscopia atómica, campos geomagnéticos y circuitos LC resonantes, para buscar DPDM. Además, varios experimentos, como QUALIPHIDE, SuperMAG y FUNK, ya han establecido restricciones experimentales sobre DPDM.
Sin embargo, las limitaciones de masa en el DPDM debajo de NEVA se basan principalmente en observaciones cosmológicas y astrofísicas, como la distorsión del fondo cósmico de microondas (CMB) y el calentamiento anómalo del plasma, que se basan en modelos astrofísicos.
el estudio
En este estudio, los investigadores llevaron a cabo la primera búsqueda de fotones oscuros/señales de fotones oscuros correlacionadas mediante el uso de una red de sensores cuánticos de línea de base larga de 15 magnetómetros atómicos/conjuntos simultáneos de magnetómetros atómicos en grandes escudos (AMAILS). Estos magnetómetros estaban alojados en dos cámaras separadas de escala métrica blindadas electromagnéticamente en Suzhou y Harbin, China, a unos 1.700 km entre los dos sitios, y se sincronizaron mediante el Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
Se asumió un modelo de halo estándar para la distribución del momento DPDM que se forma después de la activación. Ambas cámaras se construyeron con metal Mo de cinco capas y su capa interior tenía forma de cubo. Las dimensiones de la capa interior fueron 2 x 2 x 2 m3. Se han utilizado escudos electromagnéticos a escala de un metro que pueden transformar campos magnéticos dentro de sus límites para detectar la señal electromagnética efectiva generada por corriente.
Como detectores DPDM se han utilizado magnetómetros atómicos, que se reconocen como un tipo de sensor cuántico que explota el efecto libre de relajación del intercambio de espín para mejorar la sensibilidad de medición y el tiempo de coherencia atómica. Aunque en teoría un solo magnetómetro atómico puede detectar la señal de radio de un DPDM, distinguir una señal DPDM de múltiples fuentes de ruido en condiciones experimentales realistas puede resultar difícil.
Así, los investigadores monitorearon varios magnetómetros simultáneamente para abordar este problema, instalando dos magnetómetros en la estación Harbin y 13 magnetómetros en la estación Suzhou para extraer eventos potenciales de las señales asociadas. Calcularon espectros de correlación cruzada para cada par de magnetómetros. Específicamente, se calcularon correlaciones cruzadas entre magnetómetros en cámaras blindadas separadas o en la misma cámara blindada.
Los experimentos de búsqueda/investigación anteriores sobre materia oscura ondulatoria se limitaban principalmente a buscar señales locales con un solo detector, donde era difícil distinguir con confianza entre señales de materia oscura y ruido técnico local. Recientemente, en la búsqueda de materia oscura se han utilizado sensores cuánticos en red, incluidas redes de relojes ópticos y atómicos y una red global de magnetómetros ópticos (GNOME).
Estas redes tienen en cuenta situaciones en las que las partículas de materia oscura interactúan entre sí y producen defectos topológicos en lugar de materia oscura en forma de ondas. Este estudio también investigó la materia oscura utilizando magnetómetros cuánticos especializados. Estas herramientas proporcionaron capacidades mejoradas para el avance y la integración de características innovadoras en un alcance amplio y distinto.
la importancia de estudiar
Al vincular las lecturas de magnetómetros separados en la red, los investigadores lograron demostrar la primera red de sensores cuánticos de base larga que busca señales asociadas con DPDM en una distancia de 1.700 kilómetros. El gran tamaño de los escudos y los múltiples sensores de la red mejoraron significativamente las señales electromagnéticas de fotones oscuros esperadas, mientras que las mediciones de referencia largas redujeron efectivamente muchas fuentes de ruido locales.
Además, los magnetómetros demostraron una sensibilidad excepcionalmente alta a nivel de femtotesla y brindaron la capacidad de identificar el campo radiomagnético inducido por DPDM cerca de la pared de la cámara de protección.
Utilizando esta red, los investigadores limitaron el espacio de parámetros que describe la mezcla cinética de fotones oscuros/coeficiente de mezcla cinética de DPDM a la escala de masa de 4,1 feV-2,1 peV, lo que está más allá del alcance de las recientes búsquedas de DPDM terrestres. Este rango también representa las restricciones más estrictas obtenidas de cualquier experimento terrestre que opere a la escala de masa mencionada anteriormente. En resumen, este estudio abre interesantes oportunidades para buscar materia oscura ondulatoria utilizando sensores cuánticos de línea de base larga.
Referencia de la revista
Jiang, M., Hong, T., Hu, D., Chen, Y., Yang, F., Hu, T., Yang, X., Xu, J., Zhao, Y., Peng, X., Du, J. (2024). Una red de sensores cuánticos de línea de base larga es como un halo de materia oscura. Comunicaciones de la naturaleza15(1), 1-7. https://doi.org/10.1038/s41467-024-47566-0, https://www.nature.com/articles/s41467-024-47566-0