La búsqueda del axión en el rango de microondas choca con un compromiso: cuanto mayor es la frecuencia, más pequeño debe ser el resonador y, por tanto, más débil la señal. Otros trabajos de nuestro archivo desarrollan distintas soluciones alternativas: matrices multicelda, cristales fotónicos, estructuras de plasma. Este artículo continúa la línea de los modos superiores TM0n0, donde la frecuencia crece sin reducir el volumen, pero la forma del campo estropea el acoplamiento con el campo magnético. Los autores ya demostraron en dos barridos previos que los dieléctricos pueden corregir la forma del campo, y ahora amplían la cobertura y ponen a prueba un mecanismo de ajuste que conserva la simetría.
En un resonador cilíndrico de cobre de 78 mm de diámetro y 300 mm de altura se colocaron barras de óxido de aluminio con permitividad dieléctrica de 9.7. Las barras están dispuestas de forma simétrica y se desplazan radialmente mediante un mecanismo auxético inspirado en el kirigami: el giro de un eje central mueve todas las barras a la vez, cambiando la frecuencia sin distorsionar el modo. El resonador se enfrió hasta 40 mK en un criostato de dilución y se introdujo en un campo magnético de 9.8 T. La señal se amplificaba con un amplificador paramétrico limitado cuánticamente basado en una unión Josephson y luego se digitalizaba con una resolución de 100 Hz. En cada paso de frecuencia se medían la resonancia y el ruido, y los espectros se acumulaban entre 30 y 90 minutos.
Los dos nuevos barridos cubrieron de 4.98 a 5.07 GHz, lo que corresponde a masas de axión de 20.61 a 20.95 µeV. La sensibilidad media alcanzó 1.8 veces la referencia KSVZ, es decir, se excluyeron acoplamientos del axión con el fotón aproximadamente el doble de grandes que la predicción del modelo estándar. Junto con los barridos anteriores se obtuvo una cobertura continua de 4.98 a 5.27 GHz, casi 300 MHz, por primera vez para un solo resonador en un modo superior. La calidad del resonador se mantuvo por encima de 100 000, y la temperatura de ruido del sistema fue de 600 a 850 mK, lo que corresponde a entre 2.5 y 3.5 fotones de ruido. No quedó ningún candidato tras repetir el barrido, por lo que se establecieron límites superiores con una confianza del 90 %.
El trabajo se distingue de sus vecinos del archivo en que demuestra por primera vez un amplio rango continuo en un solo modo superior conservando la simetría durante el ajuste. Otros enfoques usan el modo fundamental a costa del volumen o sistemas multicelda complejos. Aquí se muestra que la recuperación dieléctrica de la forma del campo y la mecánica auxética resuelven los dos grandes problemas de los modos superiores: el bajo factor de forma y la ruptura de la simetría al reajustar. Esto abre el camino a escalar hacia modos TM030 y superiores sin una caída exponencial de la sensibilidad.
El principio puede trasladarse a los modos TM030 y superiores, donde la frecuencia crece 3.6 veces respecto al fundamental y los dieléctricos son capaces de recuperar un factor de forma de hasta 0.45. El siguiente paso será optimizar la geometría de las barras y los materiales con mayor permitividad dieléctrica para elevar la sensibilidad por encima de KSVZ. También es posible combinar varios resonadores en una matriz para barrer distintas frecuencias en paralelo. A largo plazo, este enfoque permitirá cubrir el rango de masas de 20 a 100 µeV sin perder volumen.
Los resultados influirán en el diseño de todos los futuros haloscopios de axiones que aspiren a masas altas. La tecnología de ajuste auxético podría aplicarse en otros experimentos de microondas de precisión donde se necesite reajustar la frecuencia sin distorsionar el campo.
El paso inmediato es ampliar el barrido a frecuencias más altas con la misma arquitectura y mejorar las características de ruido del receptor. También se planea comprobar la reproducibilidad del ajuste en ciclos largos de enfriamiento.
Para la física de partículas sigue abierta la cuestión de la masa del axión y su acoplamiento con el fotón. Este trabajo reduce la región de parámetros permitida en el rango de 20.6 a 21.8 µeV, pero no alcanza la sensibilidad de DFSZ, donde el acoplamiento es más débil. El gran problema es cubrir todo el rango de masas de 1 a 100 µeV con suficiente rapidez para no dejar escapar el axión, si es que existe.
Los materiales auxéticos, al estirarse, se vuelven más gruesos en lugar de más delgados, como ocurre con los normales. En el mecanismo de ajuste se aprovecha esta propiedad a la inversa: girar el eje hace que las barras se separen o se junten a la vez, cambiando la frecuencia del resonador igual que se sintoniza una radio.
En la novela «El problema de los tres cuerpos», de Liu Cixin, la materia oscura sigue siendo un enigma que la humanidad intenta resolver con aceleradores gigantescos. Los haloscopios de axiones, como el aquí descrito, ofrecen una vía más silenciosa: escuchar el cosmos en el rango de las microondas con la esperanza de captar el susurro de un campo invisible.