Wetenschap
GALILEO:Wetenschappers stellen een nieuwe methode voor om naar lichte, donkere materie te zoeken
Nieuw onderzoek in Physical Review Letters (PRL ) heeft een nieuwe methode voorgesteld om kandidaten voor lichte, donkere materie te detecteren met behulp van laserinterferometrie om de oscillerende elektrische velden te meten die door deze kandidaten worden gegenereerd.
Donkere materie is een van de meest urgente uitdagingen in de moderne natuurkunde, waarbij donkere materiedeeltjes ongrijpbaar en moeilijk te detecteren zijn. Dit heeft wetenschappers ertoe aangezet nieuwe en innovatieve manieren te bedenken om naar deze deeltjes te zoeken.
Er zijn verschillende kandidaten voor donkere materiedeeltjes, zoals WIMPs, lichte donkere materiedeeltjes (axionen) en de hypothetische gravitino. Lichte donkere materie, inclusief bosonische deeltjes zoals de QCD (quantum chromo dynamics) axion, is de afgelopen jaren een aandachtspunt geworden.
Deze deeltjes hebben doorgaans de interacties met het standaardmodel onderdrukt, waardoor ze lastig te detecteren zijn. Het kennen van hun kenmerken, inclusief hun golfachtige gedrag en coherente aard op galactische schaal, helpt echter bij het ontwerpen van efficiëntere experimenten.
In de nieuwe PRL In deze studie hebben onderzoekers van de Universiteit van Maryland en de Johns Hopkins Universiteit de Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics of GALILEO voorgesteld, een nieuwe benadering om zowel axion- als donkere foton-donkere materie te detecteren over een breed massabereik.
Hoofdonderzoeker Reza Ebadi, een afgestudeerde student aan het Quantum Technology Center (QTC) van de Universiteit van Maryland, sprak met Phys.org over het onderzoek en hun motivatie voor het ontwikkelen van deze nieuwe aanpak:"Hoewel het standaardmodel succesvolle verklaringen biedt voor verschijnselen variërend van sub-nucleaire afstanden tot de grootte van het universum, het is geen volledige verklaring van de natuur."
"Het houdt geen rekening met kosmologische waarnemingen waaruit het bestaan van donkere materie wordt afgeleid. We streven ernaar om inzicht te krijgen in de fysische theorieën die op galactische schaal opereren met behulp van kleinschalige laboratoriumexperimenten."
Axionen en axionachtige deeltjes
Axionen en axionachtige deeltjes werden aanvankelijk voorgesteld om problemen in de deeltjesfysica op te lossen, zoals het sterke ladingspariteitsprobleem (CP). Dit probleem komt voort uit de observatie dat de sterke kracht geen bepaald type symmetrieschending lijkt te vertonen, CP-schending genoemd, zoals de theorie voorspelt dat dit zou moeten gebeuren.
Dit theoretische raamwerk leidt op natuurlijke wijze tot axionachtige deeltjes, die vergelijkbare eigenschappen hebben als axionen, en beide bosonen zijn.
Er wordt voorspeld dat axionen en axionachtige deeltjes een zeer lage massa hebben, doorgaans variërend van micro-elektronvolt tot milli-elektronvolt. Dit maakt ze geschikte kandidaten voor lichte donkere materie, omdat ze golfachtig gedrag kunnen vertonen op galactische schaal.
Naast hun lage massa hebben axionen en axionachtige deeltjes een zeer zwakke interactie met gewone materie, waardoor ze moeilijk te detecteren zijn met conventionele middelen.
Dit zijn enkele redenen waarom de onderzoekers ervoor hebben gekozen deze deeltjes in hun experimentele opstelling te detecteren. De methode is echter afhankelijk van oscillerende elektrische velden die door deze deeltjes worden geproduceerd.
In gebieden met een aanzienlijke dichtheid van donkere materie kunnen axionen en ALP's coherente oscillaties ondergaan. Deze coherente oscillaties kunnen aanleiding geven tot detecteerbare signalen, zoals oscillerende elektrische velden, die het voorgestelde GALILEO-experiment wil meten.
GALILEO
"Kandidaten van lichte donkere materie gedragen zich als golven in de omgeving van de zon. Er wordt voorspeld dat dergelijke golven van donkere materie zeer zwakke oscillerende elektrische velden met magnetische velden opwekken vanwege hun minuscule interacties met elektromagnetisme."
"We concentreerden ons op de detectie van het elektrische veld in plaats van op het magnetische veld, dat het doelsignaal is in de meeste huidige en voorgestelde experimenten", legt Ebadi uit.
Door lichte, donkere materie geïnduceerde elektrische velden kunnen worden gedetecteerd met behulp van elektro-optische materialen, waarbij het externe elektrische veld de eigenschappen van het materiaal, zoals de brekingsindex, wijzigt.
GALILEO maakt gebruik van een asymmetrische Michelson-interferometer, een apparaat dat de veranderingen in de brekingsindex kan meten. Eén arm van de interferometer bevat het elektro-optische materiaal.
Wanneer een sondelaserstraal wordt gesplitst en door de twee armen van de interferometer wordt gestuurd, introduceert de arm die het elektro-optische materiaal bevat een variabele brekingsindex. Deze verandering in de brekingsindex beïnvloedt de fase van de laserstraal, wat resulteert in een oscillerend signaal wanneer de stralen weer samenkomen.
Door het verschil in fasesnelheid tussen de twee armen van de interferometer te meten, kan GALILEO de trillingsfrequentie detecteren die wordt veroorzaakt door lichte, donkere materie. Dit oscillerende signaal dient als handtekening van de aanwezigheid van donkere materiedeeltjes.
De gevoeligheid van de methode kan worden vergroot door Fabry-Perot-holtes op te nemen (die de lengte van de interferometerarm vergroten, waardoor een grotere nauwkeurigheid mogelijk is) en door herhaalde onafhankelijke metingen uit te voeren.
Laserinterferometrie en implementatie van GALILEO
Het onderzoek is gebaseerd op precisiemetingen door middel van laserinterferometrie.
Ebadi legde uit:"Een goed voorbeeld van hoe laserinterferometers kunnen worden gebruikt voor precisiemetingen is LIGO, de zwaartekrachtgolfdetector op de grond."
"Ons voorstel maakt gebruik van vergelijkbare technologische ontwikkelingen als LIGO, zoals Fabry-Perot-holtes of geperst licht om de kwantumruislimiet te onderdrukken. In tegenstelling tot LIGO is de voorgestelde GALILEO-interferometer echter een apparaat op tafelbladschaal."
Hoewel het werk theoretisch is, hebben de onderzoekers al plannen om het experimentele programma stap voor stap uit te voeren.
Belangrijk is dat ze de technische parameters willen bepalen die nodig zijn voor een geoptimaliseerde experimentele opstelling, die ze willen gebruiken voor het uitvoeren van wetenschappelijke experimenten om te zoeken naar lichte, donkere materie.
Daarnaast benadrukt Ebadi het belang van het bedienen van Fabry-Perot-holtes met hoge finesse naast elektro-optisch materiaal in de holte, evenals het karakteriseren van het geluidsbudget en de opstellingssystematiek, die cruciale aspecten zijn van het experimentele proces.
"GALILEO heeft het potentieel om een belangrijk onderdeel te zijn van de grotere missie van het verkennen van de enorme theoretisch haalbare ruimte van kandidaten voor donkere materie", concludeerde Ebadi.