De detectie van het axion zou een belangrijke episode in de geschiedenis van de wetenschap markeren. Dit hypothetische deeltje zou tegelijkertijd twee fundamentele problemen van de moderne natuurkunde kunnen oplossen:het probleem van lading en pariteit in de sterke interactie, en het mysterie van donkere materie. Echter, ondanks de grote wetenschappelijke interesse om het te vinden, het zoeken op hoge radiofrequentie - boven 6 GHz - is bijna achterwege gelaten vanwege het ontbreken van de hooggevoelige technologie die tegen redelijke kosten zou kunnen worden gebouwd. Tot nu.

Het Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) zal deelnemen aan een internationale samenwerking om het DALI-experiment (Dark-photons &Axion-Like partikels Interferometer) te ontwikkelen, een astrodeeltjestelescoop voor donkere materie met als wetenschappelijk doel het zoeken naar axionen en parafotonen in de 6 tot 60 GHz-band. Het prototype, bewijs van concept, bevindt zich momenteel in de ontwerp- en fabricagefase bij het IAC. De whitepaper waarin het experiment wordt beschreven, is geaccepteerd voor publicatie in de Tijdschrift voor Kosmologie en Astrodeeltjesfysica ( JCAP ).

Voorspeld door theorie in de jaren 70, het axion is een hypothetisch deeltje met lage massa dat zwak interageert met standaarddeeltjes zoals nucleonen en elektronen, ook met fotonen. Deze voorgestelde interacties worden bestudeerd om te proberen het axion te detecteren met verschillende soorten instrumenten. Een veelbelovende techniek is het bestuderen van de interactie van axionen met standaardfotonen.

"Axions 'vermengen' zich met fotonen onder invloed van een sterk extern magnetisch veld, zoals die worden geproduceerd door de supergeleidende magneten in deeltjesdetectoren of die worden gebruikt voor medische diagnostiek door magnetische resonantie, en een zwak radio- of microgolfsignaal produceren. Dit signaal is sinds het einde van de jaren 80 in verschillende experimenten gezocht, en het is gewoon het signaal dat we nu willen detecteren met DALI, hoewel in een nieuwe, bijna onontgonnen reeks parameters, die dankzij dit experiment voor het eerst toegankelijk zal zijn", legt Javier De Miguel uit, een IAC-onderzoeker en de eerste auteur van de studie.

De eerste axiondetectoren, gemaakt in de jaren 80 en 90, gebruikte een resonantieholte die, in een supermagneet, versterkt het zwakke microgolfsignaal voorspeld op basis van het axion, proberen het in een vermogensbereik te brengen dat door wetenschappelijke instrumenten kan worden gedetecteerd. Helaas, de grootte van de holte is omgekeerd evenredig met de scanfrequentie en, voor het axion, de holtes waren te klein om te worden gemaakt voor frequenties hoger dan zo'n 6 GHz.

Om deze reden, het nieuwe experiment brengt de meest veelbelovende technieken voor het scannen bij hoge frequenties samen, en omvat het in een praktisch ontwerp waaraan ook de capaciteit van astrodeeltjesdetectoren voor axionische donkere materie is toegevoegd. Op deze manier, DALI bestaat uit een krachtige supergeleidende magneet, een axiondetector met een nieuwe resonator om het zwakke signaal veroorzaakt door de axionen detecteerbaar te maken, en een altazimuth-montage waarmee het objecten en gebieden in de lucht kan scannen op zoek naar donkere materie.

Op deze manier, DALI kan helpen bij de detectie van het axion, een pseudo-scalair deeltje waarvan de aard vergelijkbaar is met die van het Higgs-deeltje, ontdekt in 2012 bij CERN, en een veelbelovende kandidaat voor donkere materie. Donkere materie is een fundamenteel bestanddeel van het heelal dat zeer zwak interageert met gewone materie, en is dus erg moeilijk direct te detecteren, maar wiens ontdekking ons in staat zou stellen de rotatiekrommen van de spiraalstelsels te verklaren, en waarom de vorming van structuur in het heelal zich heeft ontwikkeld zoals het zich tot nu toe heeft ontwikkeld, onder andere mysteries.