Een team van onderzoekers van Stanford University is op een missie om donkere materie voor eens en voor altijd te identificeren. Maar eerst, ze zullen 's werelds meest gevoelige radio moeten bouwen.

"Donkere materie is de meeste materie in ons universum. We weten niet wat het is, maar we weten dat het er is omdat we de zwaartekrachtseffecten ervan kunnen zien, " legde Peter Graham uit, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Stanford School of Humanities and Sciences en een van de leiders van deze zoektocht naar donkere materie. "We weten ook dat het gemaakt moet zijn van een totaal ander deeltje met andere eigenschappen dan alles wat we ooit hebben gevonden."

Graham en Savas Dimopoulos, de Hamamoto Family Professor in natuurkunde aan Stanford, hebben theorieën ontwikkeld over donkere materie die pleiten voor zeer nauwkeurige experimenten gericht op het vinden van axionen, getheoretiseerde deeltjes die tot de meest waarschijnlijke kandidaten voor donkere materie behoren. Hun theorieën - ooit beschouwd als "interessant maar daarbuiten, " volgens Graham - winnen aan populariteit nu andere kandidaten voor donkere materie worden uitgesloten en nieuwe technologieën hun veeleisende experimenten mogelijk maken. Nu hebben de Gordon en Betty Moore Foundation Stanford-onderzoekers ongeveer $ 2,5 miljoen toegekend om een ​​prototype van een nieuw soort donkere materie-sensor te maken .

Geleid door de theorieën van Graham en Dimopoulos, Kent Irwin, een professor in de natuurkunde, van deeltjesfysica en astrofysica en van fotonenwetenschap bij Stanford en SLAC National Accelerator Laboratory, bouwt de Dark Matter Radio, die op dezelfde manier naar het signaal van axions zal zoeken als een standaard AM-radio een uitzending oppikt. Als een AM-radiostation, axion donkere materie heeft een precieze frequentie, maar deze frequentie is onbekend. Door de vooruitgang in kwantumsensoren, de radio zal veel gevoeliger zijn dan eerdere experimenten met donkere materie, en in staat om een ​​groot deel van de frequenties te scannen die het meest waarschijnlijk axions onthullen.

"Dit project is een heel mooi voorbeeld van mensen met heel verschillende expertises die samenkomen om een ​​moeilijk probleem op te lossen, " zei Risa Wechsler, directeur van het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) en hoogleraar natuurkunde en deeltjesfysica en astrofysica. "Donkere materie is 85 procent van de massa in het universum en ik denk dat het zeer onwaarschijnlijk is dat we zonder zouden bestaan. Het opwindende aan dit experiment is dat het zoveel ontdekkingsruimte opent die voorheen ontoegankelijk was."

Zelfs als de onderzoekers het axion niet vinden, hun werk zou het onderscheid hebben een aanzienlijk deel van het mogelijke frequentiebereik te doorzoeken. De onderzoekers zijn ook enthousiast om te zien hoe hun sensorontwikkeling zal bijdragen aan spin-off-toepassingen op verschillende gebieden.

De donkere materie-radio

Donkere materie vormt het grootste deel van de massa in het heelal, maar er wordt aangenomen dat elk axion zo'n lage massa heeft - vallend in de categorie ultralichte donkere materie - dat het zich over kilometers zou kunnen verspreiden. Kwantummechanica, dat is de studie van het gedrag van extreem kleine deeltjes, stelt dat elk deeltje zich ook als een golf gedraagt. Dus, als axions bestaan, ze kabbelen om ons heen als een radiosignaal. Het Dark Matter Radio-team zal scannen naar de frequentie die het signaal van de golfachtige golvingen van deze oceaan van overlappende axions draagt.

De eerste truc is om axiongolven om te zetten in radiogolven - uitgevoerd door een sterk magnetisch veld in de Dark Matter Radio. De Dark Matter Radio is ook omgeven door een supergeleidend schild van niobium dat reguliere radiosignalen blokkeert. maar zal axions doorlaten.

Zelfs met al deze verbeteringen, axions een zeer zwak signaal afgeven. Dus, de afstemming van de radio moet ongelooflijk scherp zijn - het equivalent van een autoradio die zenders kan detecteren die op een miljoenste van een decimaal zijn gescheiden. Als onderdeel van het bereiken van dit niveau van gevoeligheid en precisie, Irwin werkt met een nieuw type kwantumsensor die magnetische signalen kan opvangen die honderd miljoen biljoen keer kleiner zijn dan wat wordt geproduceerd door een typische koelkastmagneet.

"Er is een doorbraak geweest in het vermogen om te controleren, kwantumtoestanden creëren en manipuleren op manieren die ons in staat stellen te profiteren van de theorie die al tientallen jaren bestaat, " zei Irwin. "Dit zijn enkele van dezelfde technieken die worden gebruikt om kwantumcomputers te ontwikkelen. In plaats van ze te gebruiken om te rekenen, we kunnen dingen veel gevoeliger en nauwkeuriger meten dan voorheen, en de technieken die we gebruiken zullen brede toepassingen hebben."

Dezelfde kwantumsensoren die de onderzoekers in de radio inbouwen, kunnen ook de precisie verbeteren van medische scantechnieken die de eigenschappen van magnetische en elektrische velden in het menselijk lichaam meten.

Voorbij het whiteboard

Tot dusver, de onderzoekers hebben met succes een prototype gebouwd ter grootte van een frisdrankblikje van de donkere materie-radio die werkt als een extra gevoelige AM-radio. Ze werken momenteel aan een grotere versie die in staat zal zijn om alle frequenties van belang te scannen met voldoende gevoeligheid om axion donkere materie te meten.

"De meeste ideeën die wij theoretici hebben, mislukken voordat ze ooit ergens zijn gekomen, dus het was een groot probleem om te zien dat dit gekke idee dat we op een whiteboard hadden een fysiek ding werd, " zei Graham. "De experimentatoren, zoals Kent, hebben nog veel werk voor de boeg, maar voor mij, het voelt als het hoogtepunt van zoveel jaren werk. The Dark Matter Radio wordt echt. Het gaat gebeuren."