AXIOMA e QUAX

AXIOMA e QUAX

Staff

F. A. Borghesani, C. Braggio, G. Carugno, A. Ortolan (INFN-LNL), G. Ruoso (INFN- LNL)

Borsisti

F. Chiossi, N. Crescini

Attività di ricerca

Un candidato di materia oscura ben motivato dal punto di vista teorico è l'assione di QCD, e nei laboratori terrestri sono stati messi a punto esperimenti ad elevata sensibilità per la sua rivelazione, che sfruttano deboli interazioni di natura non gravitazionale con particelle previste dal modello standard (fotoni e fermioni).
Nei modelli teorici l'assione emerge come un campo campo oscillante classico e nel nostri esperimenti ne investighiamo l'interazione con lo spin elettronico. Diversamente da esperimenti dedicati alla rivelazione di WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), cerchiamo quindi effetti coerenti associati al campo locale  di materia oscura.
Nell'esperimento QUAX (Quest for AXions) il segnale per la rivelazione diretta è fornito da oscillazioni della magnetizzazione (magnoni) di un campione ferrimagnetico immerso in un campo magnetico statico. Tale campo determina la frequenza dell'interazione risonante con l'assione, in analogia a quanto avviene in esperimenti di risonanza parametrica dell'elettrone. Allo scopo di aumentare la sensibilità del rivelatore, l'esperimento viene condotto nei regimi di cavity-QED e di forte accoppiamento tra i modi del materiale e quelli di cavità. Un'ulteriore sfida in questo tipo di esperimenti è posta nello sviluppo di un ricevitore in grado di rivelare potenze equivalenti dell'ordine di 10^{-26} W in cavità a microonde, una strada percorribile attraverso lo sviluppo di un contatori di singolo fotone alle microonde.

Per approfondimenti:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212686417300031

L'esperimento AXIOMA si basa anch'esso sull'interazione tra l'assione e lo spin elettronico. In questo caso la rivelazione avviene attraverso uno schema interamente ottico, in cui l'assione induce transizioni tra livelli Zeeman in specie atomiche.
Lo schema previsto coinvolge transizioni tra livelli atomici di ioni trivalenti di terre rare, che sono introdotte come droganti in cristalli organici.
Le proprietà di tali materiali vengono studiate  a temperature ultra criogeniche attraverso misure di fluorescenza indotta da laser [1] e misure di  cathodo- e radio-luminescenza [2-4]. Il progetto AXIOMA è mirato a mettere a punto nuove tecniche di nella rivelazione di particelle che permettano basse soglie energetiche per studi di dark matter leggera.

1. http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4935151
2. https://arxiv.org/pdf/1612.05507.pdf
3. https://arxiv.org/pdf/1702.08386.pdf
4. https://arxiv.org/pdf/1703.10880.pdf

Lo spazio dei parametri che è possibile sondare con entrambi gli esperimenti permette di porre limiti astrofisici in un intervallo non coperto da altri esperimenti.