LANL: Projetando as ferramentas certas para caçar partículas Axion

Interior do recém-construído detector CCM200, mostrando os 200 sensores de luz do tubo fotomultiplicador (círculos) e as paredes internas revestidas com um material especial para converter a luz de cintilação de argônio em luz visível que pode ser detectada pelos tubos fotomultiplicadores e depois registrada pelo sistema de aquisição de dados. Uma região de veto externo rejeita eventos vindos de fora, como raios cósmicos. Cortesia de imagem LANL

LANL NEWS RELEASESdesde que os axions foram previstos pela teoria pela primeira vez há quase meio século, os pesquisadores buscaram provas da partícula indescritível, que pode existir fora do universo visível, no setor escuro. Mas como encontrar partículas que não podem ser vistas? Os primeiros resultados de física do experimento Coherent CAPTAIN-Mills em Los Alamos - recém-descrito em uma publicação na revista Physical Review D - sugerem que experimentos baseados em aceleradores de argônio líquido, projetados inicialmente para procurar partículas hipotéticas semelhantes, como neutrinos estéreis , também pode ser uma configuração ideal para procurar axions furtivos.

“A confirmação das partículas do setor escuro teria um impacto profundo na compreensão do Modelo Padrão da física de partículas, bem como na origem e evolução do universo”, disse o físico Richard Van de Water. "Um grande foco da comunidade da física é explorar maneiras de detectar e confirmar essas partículas. O experimento Coherent CAPTAIN-Mills combina as previsões existentes de partículas de matéria escura, como áxions, com aceleradores de partículas de alta intensidade capazes de produzir essas partículas escuras difíceis de encontrar. matéria."

A teoria da física sugere que apenas 5% do universo é composto de matéria visível – átomos que formam coisas que podemos ver, tocar e sentir – e que os 95% restantes são a combinação de matéria e energia conhecida como setor escuro. Axions, neutrinos estéreis e outros podem explicar e responder por toda ou parte dessa densidade de energia ausente.

A existência de axions também poderia resolver um problema de longa data no Modelo Padrão, que descreve o comportamento conhecido do mundo subatômico. Às vezes chamados de "fósseis" do universo, especulados como originários apenas um segundo após o Big Bang, os áxions também podem nos dizer muito sobre os momentos fundadores do universo.

O experimento Coherent CAPTAIN-Mills foi um dos vários projetos a receber financiamento do Departamento de Energia para pesquisa do setor escuro em 2019, juntamente com financiamento substancial do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório em Los Alamos. Um protótipo de detector apelidado de CCM120 foi construído e executado durante o ciclo de feixe do Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE) de 2019. A publicação Physical Review D descreve os resultados da execução inicial de engenharia do CCM120.

"Com base na primeira execução da pesquisa do CAPTAIN-Mills, o experimento demonstrou a capacidade de executar a busca por axions", disse Bill Louis, também físico do projeto em Los Alamos. "Estamos percebendo que o regime de energia fornecido pelo feixe de prótons no LANSCE e o design do detector de argônio líquido oferece um paradigma inexplorado para a pesquisa de partículas semelhantes a áxions.

Trabalhadores baixando o detector interno CCM200 no criostato em julho de 2021. Dentro do recipiente de argônio líquido de 10 toneladas, os fotomultiplicadores capturam luz que indica a presença potencial de matéria escura e neutrinos no detector CCM, que são produzidos por LANSCE 800 megaelétrons volt prótons atingindo o alvo de tungstênio no Lujan Center. Foto Cortesia LANL

Estacionado no Lujan Center adjacente ao LANSCE, o experimento Coherent CAPTAIN-Mills é um detector de argônio líquido super-resfriado de 10 toneladas. (CAPTAIN significa Aparelho criogênico para testes de precisão de reações de argônio com neutrinos.)

Os prótons de 800 megaelétrons volts de alta intensidade gerados pelo acelerador LANSCE atingem um alvo de tungstênio no Lujan Center e, em seguida, atravessam 23 metros através de extensa blindagem de aço e concreto até o detector para interagir no argônio líquido.