Dankzij geluidsarme supergeleidende kwantumversterkers, uitgevonden aan de Universiteit van Californië, Berkeley, natuurkundigen beginnen nu aan de meest gevoelige zoektocht tot nu toe naar axions, een van de huidige topkandidaten voor donkere materie.

Het Axion Dark Matter Experiment (ADMX) rapporteerde vandaag resultaten die aantonen dat het 's werelds eerste en enige experiment is dat de nodige gevoeligheid heeft bereikt om de veelbetekenende tekenen van axionen van donkere materie te "horen".

De mijlpaal 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.

John Clarke, een professor in de natuurkunde aan de graduate school van UC Berkeley en een pionier in de ontwikkeling van gevoelige magnetische detectoren genaamd SQUID's (supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten), ontwikkelde de versterker twee decennia geleden. ADMX-wetenschappers, met de inbreng van Clarke, hebben het nu opgenomen in de ADMX-detector van de Universiteit van Washington, Seattle, en zijn klaar om te rollen.

"ADMX is een ingewikkeld en vrij duur apparaat, dus het kostte wat tijd om een ​​geschikte detector te bouwen zodat ze de SQUID-versterker erop konden zetten en konden aantonen dat het werkte zoals geadverteerd. Wat het deed, ' zei Clarke.

Het ADMX-team heeft hun resultaten vandaag online gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Dit resultaat markeert het begin van de echte jacht op axions, " zei Andrew Sonnenschein van het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois, 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."

Donkere materie:MACHO's, WIMP's of axions?

Donkere materie is de ontbrekende 84 procent van de materie in het universum, en natuurkundigen hebben uitgebreid gezocht naar veel mogelijke kandidaten, meest opvallend massieve compacte halo-objecten, of MACHO's, en zwak interagerende massieve deeltjes, of WIMP's. Ondanks tientallen jaren zoeken naar MACHO's en WIMP's, wetenschappers hebben doorgehaald; ze kunnen de effecten van donkere materie in het heelal zien, in hoe sterrenstelsels en sterren binnen sterrenstelsels bewegen, maar ze kunnen de donkere materie zelf niet zien.

Axions wordt het favoriete alternatief, deels omdat hun bestaan ​​ook problemen zou oplossen met het huidige standaardmodel van de deeltjesfysica, inclusief het feit dat het neutron een elektrisch dipoolmoment moet hebben, maar niet.

Net als andere kandidaten voor donkere materie, axies zijn overal maar moeilijk te detecteren. Omdat ze zo zelden in wisselwerking staan ​​met gewone materie, ze stromen door de ruimte, zelfs door de aarde gaan, zonder de gewone materie aan te raken. ADMX maakt gebruik van een sterk magnetisch veld en een afgestemd, reflecterende doos om axions aan te moedigen om te converteren naar fotonen met microgolffrequentie, en gebruikt de kwantumversterker om naar hen te "luisteren". Dit alles gebeurt bij de laagst mogelijke temperatuur om achtergrondgeluid te verminderen.

Clarke hoorde in 1994 van een belangrijk struikelblok voor ADMX, bij een ontmoeting met natuurkundige Leslie Rosenberg, nu een professor aan de Universiteit van Washington en hoofdwetenschapper voor ADMX, en Karl van Bibber, nu voorzitter van UC Berkeley's Department of Nuclear Engineering. Omdat het axionsignaal erg zwak zou zijn, elke detector zou erg koud en "stil" moeten zijn. Lawaai van hitte, of thermische straling, is eenvoudig te elimineren door de detector af te koelen tot 0,1 Kelvin, of ongeveer 460 graden onder nul Fahrenheit. Maar het elimineren van de ruis van standaard halfgeleidertransistorversterkers bleek moeilijk.

Ze vroegen Clarke, zouden SQUID-versterkers dit probleem oplossen?

Supercold-versterkers verlagen ruis tot de absolute limiet

Hoewel hij SQUID-versterkers had gebouwd die werkten tot 100 MHz-frequenties, geen enkele werkte op de benodigde gigahertz-frequenties, dus ging hij aan de slag om er een te bouwen. Tegen 1998, hij en zijn medewerkers hadden het probleem opgelost, grotendeels te danken aan de initiële financiering van de National Science Foundation en de daaropvolgende financiering van het Department of Energy (DOE) via het Lawrence Berkeley National Laboratory. De versterkers op ADMX werden gefinancierd door DOE via de Universiteit van Washington.

Clarke en zijn groep toonden aan dat, afgekoeld tot temperaturen van tientallen milliKelvin boven het absolute nulpunt, de Microstrip SQUID Amplifier (MSA) kon een geluid produceren dat kwantumbeperkt was, dat is, alleen beperkt door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg.

"Je kunt het niet beter doen, ' zei Clarke.

Deze veel stillere technologie, gecombineerd met de koelunit, verminderde de ruis met een factor 30 bij 600 MHz zodat een signaal van het axion, als er een is, luid en duidelijk moet komen. De MSA die momenteel in gebruik is op ADMX, is gefabriceerd door Gene Hilton van het National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, en getest, gekalibreerd en verpakt door Sean O'Kelley, een afgestudeerde student in Clarke's onderzoeksgroep aan UC Berkeley.

Het ADMX-team is van plan om langzaam door miljoenen frequenties af te stemmen in de hoop een heldere toon te horen van fotonen die worden geproduceerd door axion-verval.

"Dit resultaat plant een vlag, "zei Rosenberg. "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."

Clarke merkte ook op dat de hoge frequentie, geluidsarme kwantum SQUID-versterkers die hij voor ADMX heeft uitgevonden, zijn sindsdien gebruikt in een ander heet gebied van de natuurkunde, om de supergeleidende kwantumbits uit te lezen, of qubits, voor kwantumcomputers van de toekomst.