MIT La estudiante de posgrado Chiara Salemi y la profesora Lindley Winslow utilizan el instrumento ABRACADABRA para revelar conocimientos sobre la materia oscura.
En el primer piso del Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT cuelga un instrumento llamado “Un enfoque de banda ancha / resonante a la ciencia cósmica”. Axion Detección con un aparato amplificador de anillo de campo B ”, o ABRACADABRA para abreviar. Como su nombre lo indica, el objetivo de ABRACADABRA es detectar axiones, una partícula hipotética que puede ser el constituyente principal de la materia oscura, el material invisible y aún inexplicable que constituye la mayor parte del universo.
Chiara Salemi, con ABRACADABRA abierto, muestra el imán adentro. Crédito: Jon Ouellet
Para Chiara Salemi, estudiante de cuarto año de licenciatura en física del grupo de Lindley Winslow, profesora asociada de física Jerrold R. Zacharias Career Development Associate, ABRACADABRA es el instrumento perfecto para trabajar durante su doctorado. “Quería un pequeño experimento para poder hacer todas las diferentes partes del experimento”, dice Salemi. ABRACADABRA, que consiste en un imán extremadamente bien protegido, es del tamaño de una pelota de baloncesto.
La voluntad de Salemi de trabajar en todos los aspectos es única. “La física experimental tiene aproximadamente tres componentes: hardware, computación y fenomenología”, explica Winslow, y los estudiantes se inclinan hacia uno de los tres. “La afinidad y las fortalezas de Chiara se distribuyen uniformemente en las tres áreas”, dice Winslow. “La convierte en una estudiante particularmente fuerte”.
Desde que comenzó su doctorado, Salemi ha trabajado en todo, desde actualizar el circuito de ABRACADABRA para su segunda ejecución hasta analizar los datos del instrumento para buscar el primer signo de una partícula de materia oscura.
Un feliz accidente
Cuando Salemi comenzó la universidad, no planeaba dedicarse a la física. “Me inclinaba hacia la ciencia, pero no estaba totalmente seguro de eso o del campo de la ciencia que me gustaría”. Durante su primer semestre en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, estudió física con el objetivo de determinar si este podría ser un campo en el que podría estar interesada. “Y luego, me enamoré totalmente de él, porque comencé investigar y investigar es divertido “.
A lo largo de su carrera universitaria, Salemi recopiló experiencias de investigación. Operaba radiotelescopios en Virginia Occidental. Pasó un semestre en Ginebra, Suiza, buscando desintegraciones del bosón de Higgs en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, más conocida como CERN. En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, jugó con el diseño de semiconductores para la detección de neutrinos. Fue en una de estas experiencias de investigación, un programa de verano en Fermilab en Illinois, que comenzó a trabajar con axiones. “Como muchas cosas en la vida, fue un accidente”.
Los miembros del equipo del MIT Jonathan Ouellet, Lindley Winslow, Chiara Salemi y Reyco Henning (de UNC – Chapel Hill) con ABRACADABRA, el instrumento utilizado para detectar axiones, una partícula hipotética. Crédito: Lindley Winslow
Salemi había solicitado el programa de verano porque quería seguir trabajando en neutrinos y “Fermilab es el centro de todo lo relacionado con los neutrinos”. Pero cuando llegó allí, Salemi se enteró de que estaba asignada a trabajar en axiones. “Me decepcionó mucho, pero terminé enamorándome de los axiones, porque son realmente interesantes y diferentes de otros experimentos de física de partículas”.
Las partículas elementales del universo y las fuerzas que regulan sus interacciones se explican mediante el Modelo estándar de física de partículas. El nombre contradice la importancia de esta teoría; el modelo estándar, que se desarrolló a principios de la década de 1970, describe casi todo en el mundo subatómico. “Pero hay algunos agujeros enormes”, dice Salemi. “Y uno de estos enormes agujeros es la materia oscura”.
La materia oscura es materia que no podemos ver. A diferencia de la materia normal, que interactúa con la luz – absorbiéndola, reflejándola, emitiéndola – la materia oscura no interactúa o apenas interactúa con la luz, haciéndola invisible tanto a simple vista como a los instrumentos actuales. Su existencia se deduce por su impacto sobre la materia visible. A pesar de su invisibilidad, la materia oscura es mucho más abundante, dice Salemi. “Hay cinco veces más materia oscura en el universo que materia normal”.
Al igual que su contraparte visible, que está formada por partículas como neutrones, protones y electrones, la materia oscura también está formada por partículas, pero los físicos aún no saben exactamente de qué tipos. Un candidato es el axión, y ABRACADABRA fue diseñado para encontrarlo.
Pequeño pero poderoso
En comparación con el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, que es un instrumento encargado de detectar las partículas propuestas y tiene una circunferencia de 16.6 millas, ABRACADABRA es pequeño. Para Salemi, el instrumento es representativo de una nueva era de la física de sobremesa. Crear instrumentos cada vez más grandes para buscar partículas cada vez más elusivas había sido la estrategia a seguir, pero estos se han vuelto cada vez más costosos. “Por eso, a la gente se le ocurren todo tipo de ideas realmente interesantes sobre cómo hacer descubrimientos, pero con un presupuesto menor”, dice Salemi.
El diseño de ABRACADABRA fue desarrollado en 2016 por tres teóricos: Jesse Thaler, profesor asociado de física; Benjamin Safdi, entonces becario Pappalardo del MIT; y Yonatan Kahn PhD ’15, entonces estudiante graduado de Thaler. Winslow, un físico de partículas experimental, tomó ese diseño y descubrió cómo hacerlo realidad.
ABRACADABRA se compone de una serie de bobinas magnéticas en forma de toroide (imagínate una rosquilla alargada) envueltas en un metal superconductor y se mantienen refrigeradas a aproximadamente cero absoluto. El imán, que según Salemi es aproximadamente del tamaño de una toronja grande, genera un campo magnético alrededor del toroide pero no en el agujero de rosquilla. Ella explica que, si existen axiones e interactúan con el campo magnético, aparecerá un segundo campo magnético dentro del agujero de rosquilla. “La idea es que esa sería una región de campo cero, a menos que haya un axión”.
Puede llevar 10 años o más tomar un diseño teórico para un experimento y hacerlo operativo. El viaje de ABRACADABRA fue mucho más corto. “Pasamos de un artículo teórico publicado en septiembre de 2016 a un resultado en octubre de 2018”, dice Winslow. La geometría del imán toroidal, dice Winslow, proporciona una región de fondo naturalmente baja, el agujero de rosquilla, en la que buscar axiones. “Desafortunadamente, hemos superado la parte fácil y ahora tenemos que reducir esos antecedentes que ya son bajos”, dice Winslow. “Chiara lideró el esfuerzo por aumentar la sensibilidad del experimento en un factor de 10”, dice Winslow.
Para detectar un segundo campo magnético generado por un axión, necesita un instrumento que sea increíblemente sensible, pero que también esté protegido del ruido externo. Para ABRACADABRA, ese blindaje proviene del material superconductor y su frígida temperatura. Incluso con estos escudos, ABRACADABRA puede detectar personas que caminan en el laboratorio e incluso captar estaciones de radio de Boston, Massachusetts. “De hecho, podemos escuchar la estación a partir de nuestros datos”, dice Salemi. “Es como la radio más cara”.
Si se detecta una señal de axión, Salemi y sus colegas primero se esforzarán por refutarla, buscando todas las fuentes potenciales de ruido y eliminándolas una por una. Según Salemi, detectar la materia oscura significa premios, incluso un premio Nobel. “Por lo tanto, no se publica ese tipo de resultado sin pasar mucho tiempo para asegurarse de que sea correcto”.
Los resultados de la primera ejecución de ABRACADABRA se publicaron en marzo de 2019 en Cartas de revisión física por Salemi, Winslow y otros en el Departamento de Física del MIT. No se detectaron axiones, pero la ejecución señaló los ajustes que el equipo podría hacer para aumentar la sensibilidad del instrumento antes de su segunda ejecución que comenzó en enero de 2020. “Hemos estado trabajando en la configuración, ejecución y análisis de la ejecución 2 durante aproximadamente un año y media ”, dice Salemi. Actualmente, se han recopilado todos los datos y el grupo está terminando el análisis. Los resultados se publicarán a finales de este año.
Mientras preparan esos resultados para su publicación, Salemi y sus colegas ya están pensando en la próxima generación de detectores de axiones, llamados DM Radios, para Dark Matter Radios. Salemi dice que esta será una colaboración de varios institutos mucho más grande, y el diseño del nuevo instrumento aún está siendo concebido, incluida la decisión de la forma del imán. “Tenemos dos diseños posibles: uno tiene forma de rosquilla y el otro tiene forma de cilindro”.
La búsqueda de axiones comenzó en 1977, cuando se teorizó por primera vez, y desde la década de 1980, los físicos experimentales han estado diseñando y mejorando instrumentos para detectar esta elusiva partícula. Para Salemi, sería asombroso seguir trabajando en los axiones hasta su descubrimiento, aunque nadie puede predecir cuándo sucederá. “Pero, ¿viendo la materia oscura experimental de axiones de baja masa desde el principio hasta el final? Eso podría hacer ”, dice. “Dedos cruzados.”
