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Introduzione

Una cavità suddivisa in più celle identiche fornisce un percorso altamente efficiente per le ricerche sulla materia oscura ad alta frequenza.

L’importanza dell’assione

Nonostante la sua massa sempre più piccola, l’esistenza dell’assione, una volta provata, può indicare una nuova fisica al di là del Modello Standard. Nata per spiegare un problema di simmetria fondamentale nella forza nucleare forte associata allo squilibrio materia-antimateria nel nostro Universo, questa ipotetica particella rappresenta anche un ottimo candidato per la materia oscura. Sebbene esisterebbero assioni in numero abbastanza ampio 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 verrebbe convertita in un fotone. Il fotone risultante dovrebbe trovarsi da qualche parte nella gamma di frequenze delle microonde. Sperando di trovare la giusta corrispondenza con l’assione, gli sperimentatori usano un rivelatore a microonde, un aloscopio a cavità. Avendo un risonatore cilindrico posto in un solenoide, il campo magnetico che riempie la cavità migliora il segnale. L’aloscopio permette inoltre agli scienziati di regolare continuamente la frequenza di risonanza della cavità. Tuttavia, l’esperimento di ricerca più sensibile, l’Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) dell’Università di Washington, ha cercato regioni a bassa frequenza, al di sotto di 1 GHz, poiché la scansione di regioni a frequenza più alta richiede un raggio di cavità più piccolo, con conseguente significativa perdita di volume e quindi minore segnale. (Figura 1-②)

L’importanza della pizza

Un team di ricerca, guidato dal Dr. YOUN SungWoo presso il Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) all’interno dell’Istituto di Scienze di Base (IBS) in Corea del Sud, ha sviluppato un nuovo design di cavità multipla, soprannominata “cavità della pizza“. Proprio come le pizze vengono tagliate in più fette, più partizioni dividono verticalmente il volume della cavità in pezzi identici (cellule). Con quasi nessun volume da perdere, questo haloscope a più celle permette di ottenere un risultato significativo della scansione delle regioni ad alta frequenza. (Figura 1-⑤). Anche se ci sono stati tentativi di raggruppare le cavità più piccole insieme e combinare i singoli segnali con tutte le cavità sintonizzati alla stessa frequenza, la sua configurazione complicata e il meccanismo di corrispondenza della frequenza non banale sono stati colli di bottiglia. (Figura 1-③).

Figura 1. Modelli di cavità con varie sezioni interne.
(Da sinistra a destra) ① cavità singola grande, ② cavità singola piccola, cavità multiple piccole ④ cavità multicellulare (cavità pizza) ⑤ cavità multicella con uno spazio
Figura 2. Vista in sezione trasversale di varie cavità multicella (doppia, quadrupla e ottupla) con la distribuzione prevista del campo elettrico indotto dall’assione (dalla simulazione).

I risultati

I ricercatori hanno dimostrato che la cavità multipla è stata in grado di rilevare segnali ad alta frequenza con una maggiore efficienza ed affidabilità. In un esperimento che utilizzava un magnete superconduttore 9T ad una temperatura di 2 kelvin (-271 °C), il team ha rapidamente scansionato una gamma di frequenza di > 200 MHz sopra i 3 GHz, che è 4 ~ 5 volte superiore a quella di ADMX dando una maggiore sensibilità ai modelli teorici rispetto ai precedenti risultati ottenuti da altri esperimenti.

Anche questo nuovo disegno della cavità ha permesso ai ricercatori di esplorare una data gamma di frequenza quattro volte più velocemente di quanto potesse fare un esperimento convenzionale. “Fare le cose quattro volte più velocemente“. Il dottor Youn aggiunge scherzosamente: “Usando questo design a cavità multiple, i nostri dottorandi dovrebbero essere in grado di laurearsi più velocemente di quelli di altri laboratori“.

Ciò che rende questo design a più celle semplice da utilizzare è il divario tra le partizioni nel mezzo. Avendo tutte le celle collegate spazialmente, una singola antenna raccoglie il segnale dall’intero volume. “Poiché un dispenser di pizza mantiene intatte le fette di pizza con i suoi condimenti originali, lo spazio tra le celle aiuta le celle ad essere all’altezza del compito“, dice il dottor Youn. La singola antenna permette inoltre ai ricercatori di valutare se i campi elettromagnetici indotti dall’assione sono distribuiti in modo uniforme in tutta la cavità, che risulta essere fondamentale per ottenere il massimo volume effettivo. “Tuttavia, l’imprecisione e il disallineamento nella costruzione della cavità potrebbero ostacolare la sensibilità. Perciò, questo design a più celle permette di alleviarlo regolando la dimensione dello spazio nel mezzo, non lasciando sprecato alcun volume”, spiega il Dr. Youn.

L’impegno biennale del team di ricerca ha portato ad un design ottimale per lo studio della materia oscura assionica nelle regioni ad alta frequenza. Il team sta esaminando la possibilità di incorporare diverse cavità a più celle nei sistemi esistenti al CAPP per estendere la banda di ricerca degli assiani alle regioni ad alta frequenza rispetto a quelle attualmente esplorate.

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