Een aan Yale ontworpen en gebouwd detectieapparaat vernauwt de zoektocht naar donkere materie in de vorm van axionen, een getheoretiseerd subatomair deeltje dat wel 80% van de materie in het universum kan uitmaken.

Onder leiding van Yale-fysicus Steve Lamoreaux, een team van wetenschappers kondigde de eerste resultaten van het project aan, genaamd Haloscope At Yale Gevoelig voor Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC). De bevindingen verschijnen in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het bestaan ​​van donkere materie is met een hoge mate van vertrouwen vastgesteld. Op dit moment weet echter niemand wat het is, en het blijft een van de openstaande vragen van de moderne wetenschap, "zei Lamoreaux. "Ons werk stelt belangrijke grenzen aan een toonaangevende theorie van donkere materie."

Die theorie draait om het axion, een deeltje dat in de jaren tachtig werd voorgesteld. Lamoreaux zei het axion - dat geen lading heeft, geen draai, en een minuscule hoeveelheid massa - heeft alle noodzakelijke eigenschappen om een ​​overtuigende kandidaat voor donkere materie te zijn. De waargenomen dichtheid van donkere materie in onze melkweg vereist ongeveer 10 biljoen axionen per kubieke centimeter; echter, hun directe interacties met gewone materie zijn zo zwak dat hun detectie uiterst gevoelige experimentele technieken vereist.

Met behulp van een nieuw instrument gebouwd in Yale's Wright Lab, Lamoreaux en zijn collega's verbreedden de mogelijke parameters voor het detecteren van axions. Hun onderzoek toont de instrumentgevoeligheid aan die nodig is om axions te detecteren die 10 keer zwaarder zijn dan die waarop eerdere experimenten waren gericht.

Axiondetectoren gebruiken intense magnetische velden om axionen om te zetten in detecteerbare microgolffotonen met een specifieke frequentie die wordt bepaald door de onbekende axionmassa. Eerdere experimenten hebben gezocht naar axionen met een lage massa. Het zoeken naar hogere massa's was een uitdaging voor wetenschappers omdat het hoogfrequente detectoren vereist die fysiek kleiner zijn, en de signalen van axion-conversie zijn in dergelijke gevallen zwakker.

"Onze grote doorbraak was om de detector kouder en stiller te maken dan ooit tevoren, door versterkers aan te passen die zijn ontwikkeld voor kwantumcomputeronderzoek waarvan de ruisprestaties de fundamentele limieten benaderen die worden opgelegd door de wetten van de kwantummechanica, ' zei Lamoreaux. 'Met de eerste gegevens van onze detector, we hebben limieten gesteld aan de interacties van axionen van donkere materie en een nieuw deel van het toegestane axion-massabereik opengesteld voor experimenteel onderzoek."

De eerste auteur van het artikel is Ben Brubaker, een afgestudeerde student in het Lamoreaux-lab aan de Yale. Andere co-auteurs van Yale zijn Ling Zhong, Julia Gurevitsj, Sydney Cahn, en Kelly Backes. Andere co-auteurs zijn van de University of California-Berkeley, de Universiteit van Colorado, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie, en Lawrence Livermore National Laboratory.

"Het axion-experiment met donkere materie in Yale verlegt de grenzen van de deeltjesastrofysica, zei Karsten Heeger, directeur van het Wright-laboratorium. "Het is een lichtend voorbeeld van een universiteitsexperiment dat gebruikmaakt van geavanceerde instrumenten en gebruikmaakt van lokale infrastructuur om een ​​van de fundamentele vragen over het universum aan te pakken en de volgende generatie wetenschappers op te leiden. We zijn verheugd over zo'n wereldleidende inspanning hier op de campus in het Wright Lab."