Een nieuw experiment van een samenwerking onder leiding van de Universiteit van Chicago en Fermi National Accelerator Laboratory, bekend als het Broadband Reflector Experiment for Axion Detection of BREAD, heeft zijn eerste resultaten vrijgegeven in de zoektocht naar donkere materie in een studie gepubliceerd in Physical Brieven beoordelen . Hoewel ze geen donkere materie hebben gevonden, hebben ze de beperkingen voor waar deze zich zou kunnen bevinden verkleind en hebben ze een unieke aanpak gedemonstreerd die de zoektocht naar de mysterieuze substantie kan versnellen, tegen relatief weinig ruimte en kosten.

"We zijn erg enthousiast over wat we tot nu toe hebben kunnen doen", aldus UChicago Assoc. Prof. David Miller, co-leider van het experiment naast Andrew Sonnenschein van Fermilab, die oorspronkelijk het concept voor het experiment ontwikkelde. "Dit ontwerp heeft veel praktische voordelen en we hebben al de beste gevoeligheid tot nu toe laten zien in deze frequentie van 11-12 gigahertz."

"Dit resultaat is een mijlpaal voor ons concept en demonstreert voor het eerst de kracht van onze aanpak", zegt Stefan Knirck, postdoctoraal wetenschapper en hoofdauteur van het onderzoek, die leiding gaf aan de constructie en werking van de detector. "Het is geweldig om dit soort creatieve wetenschap op tafelschaal te doen, waarbij een klein team alles kan doen, van het bouwen van het experiment tot data-analyse, maar toch een grote impact kan hebben op de moderne deeltjesfysica."

'Er is iets'

Als we door het heelal kijken, kunnen we zien dat een bepaalde substantie voldoende zwaartekracht uitoefent om aan sterren en sterrenstelsels te trekken en licht door te laten, maar geen enkele telescoop of apparaat heeft de bron ooit direct opgepikt – vandaar de naam ‘donkere materie’.

Omdat niemand echter ooit donkere materie heeft gezien, weten we niet eens precies hoe deze eruit zou kunnen zien, of zelfs niet precies waar we ernaar moeten zoeken. "We hebben er alle vertrouwen in dat er iets is, maar het kan heel veel vormen aannemen", aldus Miller.

Wetenschappers hebben een aantal van de meest waarschijnlijke opties voor plaatsen en vormen in kaart gebracht. Meestal bestond de aanpak uit het bouwen van detectoren die zeer grondig een specifiek gebied (in dit geval een reeks frequenties) konden doorzoeken om dit uit te sluiten.

Maar een team van wetenschappers onderzocht een andere aanpak. Hun ontwerp is 'breedband', wat betekent dat het een groter aantal mogelijkheden kan doorzoeken, zij het met iets minder precisie.

"Als je het als een radio beschouwt, is de zoektocht naar donkere materie hetzelfde als het afstemmen van de knop op het zoeken naar een bepaald radiostation, behalve dat er een miljoen frequenties zijn om doorheen te kijken", zegt Miller. "Onze methode is als het scannen van 100.000 radiostations, in plaats van een paar zeer grondig te scannen."

Een proof-of-concept

De BREAD-detector zoekt naar een specifieke subset van mogelijkheden. Het is gebouwd om te zoeken naar donkere materie in de vorm van zogenaamde 'axionen' of 'donkere fotonen':deeltjes met extreem kleine massa die onder de juiste omstandigheden in een zichtbaar foton kunnen worden omgezet.

BREAD bestaat dus uit een metalen buis met daarin een gebogen oppervlak dat potentiële fotonen opvangt en aan één uiteinde naar een sensor stuurt. Het geheel is klein genoeg om je armen omheen te passen, wat ongebruikelijk is voor dit soort experimenten. In de volledige versie zal BREAD in een magneet worden geplaatst om een ​​sterk magnetisch veld te genereren, waardoor de kans groter wordt dat donkere materiedeeltjes in fotonen worden omgezet.

Voor het proof-of-principle voerde het team het experiment echter uit zonder magneten. De samenwerking heeft het prototype van het apparaat ongeveer een maand bij UChicago uitgevoerd en de gegevens geanalyseerd.

De resultaten zijn veelbelovend en laten een zeer hoge gevoeligheid zien in de gekozen frequentie, aldus de wetenschappers.

Sinds de resultaten gepubliceerd in Physical Review Letters werden geaccepteerd, is BREAD verplaatst naar een hergebruikte MRI-magneet in het Argonne National Laboratory en neemt meer gegevens op. De uiteindelijke thuisbasis, het Fermi National Accelerator Laboratory, zal een nog sterkere magneet gebruiken.

"Dit is slechts de eerste stap in een reeks spannende experimenten die we plannen", zegt Sonnenschein. "We hebben veel ideeën om de gevoeligheid van onze axion-zoekopdracht te verbeteren."

"Er zijn nog steeds zoveel open vragen in de wetenschap en er is een enorme ruimte voor creatieve nieuwe ideeën om die vragen aan te pakken", zegt Miller. "Ik denk dat dit een echt kenmerkend voorbeeld is van dit soort creatieve ideeën – in dit geval impactvolle samenwerkingsverbanden tussen kleinschalige wetenschap aan universiteiten en grootschalige wetenschap aan nationale laboratoria."

Het BREAD-instrument werd bij Fermilab gebouwd als onderdeel van het R&D-programma voor detectoren van het laboratorium en werd vervolgens gebruikt bij UChicago, waar de gegevens voor dit onderzoek werden verzameld. UChicago PhD-student Gabe Hoshino leidde de bediening van de detector, samen met studenten Alex Lapuente en Mira Littmann.

Argonne National Laboratory onderhoudt een magneetfaciliteit die zal worden gebruikt voor de volgende fase van het BREAD-fysicaprogramma. Andere instellingen, waaronder SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Illinois Institute of Technology, MIT, het Jet Propulsion Laboratory, de University of Washington, Caltech en de University of Illinois in Urbana-Champaign, werken samen met UChicago en Fermilab aan R&D voor toekomstige versies van het experiment.

Meer informatie: Stefan Knirck et al., Eerste resultaten van een breedbandzoektocht naar donkere foton-donkere materie in het bereik van 44 tot 52 μeV met een coaxiale schotelantenne, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.131004

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Universiteit van Chicago