Veertig jaar geleden, wetenschappers theoretiseerden een nieuw soort deeltje met een lage massa dat een van de blijvende mysteries van de natuur zou kunnen oplossen:waaruit donkere materie bestaat. Nu is een nieuw hoofdstuk begonnen in de zoektocht naar dat deeltje.

Deze week, het Axion Dark Matter Experiment (ADMX) onthulde een nieuw resultaat, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , dat plaatst het in een categorie van één:het is 's werelds eerste en enige experiment dat de nodige gevoeligheid heeft bereikt om de veelbetekenende tekenen van axions van donkere materie te 'horen'. Deze technologische doorbraak is het resultaat van meer dan 30 jaar onderzoek en ontwikkeling, met het nieuwste stukje van de puzzel in de vorm van een kwantumapparaat waarmee ADMX nauwkeuriger naar axions kan luisteren dan enig experiment ooit gebouwd.

ADMX wordt beheerd door het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en is gevestigd aan de Universiteit van Washington. Dit nieuwe resultaat, de eerste van de tweede generatie ADMX, stelt grenzen aan een klein frequentiebereik waar axions zich kunnen verbergen en vormt de basis voor een bredere zoektocht in de komende jaren.

"Dit resultaat markeert het begin van de echte jacht op axions, " zei Fermilab-wetenschapper Andrew Sonnenschein, de operations manager voor ADMX. "Als er axions van donkere materie bestaan ​​binnen de frequentieband, zullen we de komende jaren onderzoeken, dan is het slechts een kwestie van tijd voordat we ze vinden."

Eén theorie suggereert dat de donkere materie die sterrenstelsels bij elkaar houdt, zou kunnen bestaan ​​uit een groot aantal deeltjes met een lage massa, die bijna onzichtbaar zijn voor detectie terwijl ze door de kosmos stromen. Pogingen in de jaren 80 om dit deeltje te vinden, het axion genoemd door theoreticus Frank Wilczek, momenteel van het Massachusetts Institute of Technology, waren niet succesvol, waaruit blijkt dat hun detectie een grote uitdaging zou zijn.

ADMX is een axion-haloscoop - in wezen een grote, geluidsarme radio-ontvanger, die wetenschappers afstemmen op verschillende frequenties en luisteren om de axion-signaalfrequentie te vinden. Axions hebben bijna nooit interactie met materie, maar met behulp van een sterk magnetisch veld en een koude, donker, goed afgesteld, reflecterende doos, ADMX kan fotonen "horen" die worden gecreëerd wanneer axionen in de detector worden omgezet in elektromagnetische golven.

"Als je denkt aan een AM-radio, het is precies zo, " zei Grijze Rybka, co-woordvoerder van ADMX en assistent-professor aan de Universiteit van Washington. "We hebben een radio gebouwd die op zoek is naar een radiostation, maar we weten de frequentie niet. We draaien langzaam aan de knop terwijl we luisteren. Idealiter horen we een toon wanneer de frequentie goed is."

Deze detectiemethode, die het "onzichtbare axion" zichtbaar zou kunnen maken, werd uitgevonden door Pierre Sikivie van de Universiteit van Florida in 1983, net als het idee dat galactische halo's kunnen worden gemaakt van axionen. Baanbrekende experimenten en analyses door een samenwerking van Fermilab, de Universiteit van Rochester en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, evenals wetenschappers van de Universiteit van Florida, demonstreerde de bruikbaarheid van het experiment. Dit leidde eind jaren negentig tot de bouw van een grootschalige detector in het Lawrence Livermore National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, die de basis vormt van de huidige ADMX.

Het was pas onlangs, echter, dat het ADMX-team supergeleidende kwantumversterkers tot hun volle potentieel heeft kunnen inzetten, waardoor het experiment een ongekende gevoeligheid kan bereiken. Eerdere runs van ADMX werden gedwarsboomd door achtergrondgeluid gegenereerd door thermische straling en de eigen elektronica van de machine.

Het oplossen van warmtestralingsruis is eenvoudig:een koelsysteem koelt de detector af tot 0,1 Kelvin (ongeveer minus 460 graden Fahrenheit). Maar het elimineren van de ruis van elektronica bleek moeilijker. De eerste runs van ADMX gebruikten standaard transistorversterkers, maar na contact met John Clarke, een professor aan de Universiteit van Californië, Berkeley, Clarke ontwikkelde een kwantumbeperkte versterker voor het experiment. Deze veel stillere technologie, gecombineerd met de koelunit, vermindert de ruis met een niveau dat significant genoeg is om het signaal, mocht ADMX er een ontdekken, luid en duidelijk zal komen.

"De eerste versies van dit experiment, met transistorgebaseerde versterkers, zou honderden jaren hebben geduurd om het meest waarschijnlijke bereik van axionmassa's te scannen. Met de nieuwe supergeleidende detectoren, we kunnen hetzelfde bereik zoeken op tijdschalen van slechts een paar jaar, " zei Gianpaolo Carosi, co-woordvoerder van ADMX en wetenschapper bij het Lawrence Livermore National Laboratory.

"Dit resultaat plant een vlag, " zei Leslie Rosenberg, professor aan de Universiteit van Washington en hoofdwetenschapper voor ADMX. "Het vertelt de wereld dat we de gevoeligheid hebben, en maak een goede kans om het axion te vinden. Er is geen nieuwe technologie nodig. We hebben geen wonder meer nodig, we hebben gewoon de tijd nodig."

ADMX zal nu miljoenen frequenties testen op dit gevoeligheidsniveau. Als axionen worden gevonden, het zou een belangrijke ontdekking zijn die niet alleen donkere materie zou kunnen verklaren, maar andere slepende mysteries van het universum. Als ADMX geen axions vindt, die theoretici ertoe kunnen dwingen nieuwe oplossingen voor die raadsels te bedenken.

"De komende jaren kan er op elk moment een ontdekking komen, " zei wetenschapper Aaron Chou van Fermilab. "Het is een lange weg geweest om op dit punt te komen, maar we staan ​​op het punt om de meest opwindende tijd te beginnen in deze voortdurende zoektocht naar axions."