Penteando através da coroa do sol para matéria escura

28 de abril de 2025&bala; Física 18, 91

Os pesquisadores transformaram a sonda photo voltaic Parker da NASA em um detector de matéria escura, aproveitando seus encontros próximos com o sol para procurar sinais de fóton escuro.

NASA; Adaptado pela S. Ge/Peking College.

NASA; Adaptado pela S. Ge/Peking College.

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A matéria escura é uma substância ilusória, mas conseqüente. É responsável por 27% do conteúdo whole de energia do universo e desempenha um papel essential na formação de estruturas cósmicas, atuando como o esqueleto para a “teia cósmica” de galáxias (1). No entanto, suas interações não -críticas com partículas conhecidas continuam sendo um mistério. Entre os muitos tipos de partículas de matéria escura que foram propostas, um candidato atraente é o póton escuro ultraleve (2). Assim como o fóton medeia a força eletromagnética entre partículas carregadas eletricamente, o fóton escuro media interações entre um conjunto hipotético de partículas escuras. Os pesquisadores procuraram anteriormente fótons escuros usando detectores de partículas baseados em laboratório e telescópios ligados à terra. Mas agora Haipeng e da Universidade de Tsinghua na China e seus colegas utilizaram um ponto de vista único ao lado do sol para procurar um sinal de fóton escuro (3). A equipe analisou dados de radiofrequência da Parker Photo voltaic Probe (PSP), mas não encontrou distorções espectrais que teriam sido evidências de fóton escuro. Os pesquisadores, portanto, colocam os limites mais fortes ainda para fótons escuros com massas em torno de 10^-9$$ev/c².

O Darkish Photon é um candidato atraente para matéria escura, porque pode surgir naturalmente dentro de determinadas teorias inspiradas em cordas. No entanto, esses modelos não corrigem a massa do fóton escuro. Como resultado, as pesquisas abrangeram muitas ordens de magnitude em massa de 10^-18 a ten⁶ $$ev/c². O fóton escuro ultraleve (menos de cerca de 1 $$ev/c²) se destaca, pois oferece efeitos cosmológicos distintos e novas assinaturas experimentais.

Notavelmente, podemos não estar completamente cegos para o fóton escuro, pois poderia interagir com partículas normais através de um fenômeno conhecido como mistura cinética (4). Esse acoplamento débil efetivamente permite que os fótons escuros “oscilem” em fótons comuns e vice -versa, assim como os neutrinos oscilam entre diferentes sabores. Essa oscilação pode ser aprimorada em determinados ambientes. Um desses ambiente é a coroa photo voltaic – um gás ionizado superaquecido que estende milhões de quilômetros para o espaço ao redor do sol. Os elétrons nesse plasma interagem com fótons normais, fazendo com que eles se comportassem como se tivessem uma massa. O valor dessa massa efetiva depende da densidade de elétrons da Corona, que diminui com a distância do sol. Se um fóton escuro passa pela coroa photo voltaic e sua massa é igual à massa efetiva em uma região específica do plasma, a conversão escura para o regular será dramaticamente aumentada através de uma interação ressonante. O fóton resultante é altamente monocromático, com uma energia igual à massa do fóton escuro.

Alguns desses fótons convertidos serão absorvidos ou espalhados no plasma, mas uma fração deles escapará, levando a uma “colisão” observável no espectro da coroa. Os pesquisadores procuraram anteriormente esta assinatura de fóton escuro usando radiotelescópios baseados no solo (5). Essas observações foram limitadas às frequências de fótons acima de 10 MHz, correspondendo a massas de fóton escuro acima de 10^-6 $$ev/c². A razão para essa faixa limitada é que as frequências de rádio abaixo de aproximadamente 10 MHz são refletidas de volta ao espaço pela ionosfera da Terra. Além disso, os radiotelescópios terrestres sofrem de um sinal atenuado por causa da vasta distância entre o sol e a terra.

Para abordar essas limitações, um e seus colegas usaram o PSP como um in situ Detector de matéria escura. O PSP é uma missão da NASA projetada para estudar a coroa photo voltaic voando mais perto do sol do que qualquer espaçonave anterior (ver Recurso especial: toque o sol). Lançado em 2018, a investigação atingiu sua distância mais próxima do periélio de aproximadamente 10 raios solares em julho de 2022, mas sua órbita altamente elíptica permitiu estudar de perto o plasma da coroa em uma ampla gama de raios – e, portanto, em uma ampla gama de densidades de elétrons. Os dois receptores de rádio do PSP são capazes de medir frequências que variam de cerca de 20 kHz a 20 MHz. Usando esses dados de rádio e o caminho orbital da sonda, An e colegas podem procurar inchaços espectrais correspondentes a massas de fóton escuro entre 3 × 10^-10 e 8 × 10^-8 $$ev/c². Para massas menores de fóton escuro (e frequências equivalentes menores), o PSP reduziu a sensibilidade. Assim, na faixa de baixa frequência, os pesquisadores também consideraram dados do Observatório de Relações Terrestres Solares (Estéreo), que mantém uma distância orbital fixa de 1 unidade astronômica do Sol.

Ao comparar a densidade de fluxo espectral recebida pelas espaçonaves com o sinal induzido por fóton escuro esperado, An e colegas foram capazes de estabelecer limites no parâmetro de mistura cinética, que é um parâmetro sem dimensão que descreve a resistência à mistura entre fótons escuros e normais. Na faixa de massa acima mencionada, eles encontraram limites superiores de aproximadamente 10^-13 a ten^-14. Esses limites superam as restrições das observações cósmicas-microwaves-background, nas quais o sinal putativo é uma distorção espectral causada por conversões de fóton escuro no universo inicial (2). Esses limites também vão além da região de baixa massa sondada por halóscopos de laboratório, cavidades de microondas sintonizadas para converter fóton escuro ou matéria escura de axion em fótons comuns (ver Ponto de vista: Homing in Axions?).

A busca por matéria escura de fóton escura permanece vigorosa, tendo feito um progresso significativo na última década. O trabalho de um colegas e colegas esculpem um novo caminho, limitando os fótons escuros escuros a ter um parâmetro de mistura cinética extremamente débil ou uma massa muito baixa (abaixo de 10^-15 $$ev/c²), onde o espaço dos parâmetros permanece relativamente aberto. Uma maneira interessante de melhorar a sensibilidade aos fótons escuros ultraleves envolve ressonância LC CIRCUITOS-Às vezes chamado rádio-matéria escura. Essas experiências pretendem detectar os pequenos campos elétricos oscilantes e oscilantes do fóton escuro ajustando o circuito à frequência Compton da partícula. Operados a temperaturas criogênicas, essas configurações podem amplificar o sinal, permitindo que os fótons escuros induzam uma corrente fraca, mas mensurável. Vários desses experimentos estão no horizonte, portanto, fique atento a possíveis descobertas.

Sobre o autor

Paola Arias é uma física de partículas com sede em Santiago, Chile, na Universidade de San Sebastian, onde é professora associada. Ela obteve seu doutorado pela Universidade de Santiago, Chile, e ocupou duas posições de pesquisa de pós -doutorado: uma no síncrotron alemão (DESY) na Alemanha, como bolsista de Humboldt; e outro na Pontificadora Universidade Católica do Chile. Sua pesquisa se concentra nas extensões do modelo padrão, com um interesse explicit em partículas finas, como axiões e fótons escuros. Ela é profundamente fascinada pela interação entre física de partículas e cosmologia, especialmente na maneira como ela pode nos ajudar a descobrir as propriedades da matéria escura.

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