Natuurkundigen van MIT en elders hebben de eerste run uitgevoerd van een nieuw experiment om axionen te detecteren - hypothetische deeltjes waarvan wordt voorspeld dat ze tot de lichtste deeltjes in het universum behoren. Als ze bestaan, axions zouden vrijwel onzichtbaar zijn, toch onontkoombaar; ze zouden bijna 85 procent van de massa van het universum kunnen uitmaken, in de vorm van donkere materie.

Axions zijn bijzonder ongebruikelijk omdat van hen wordt verwacht dat ze de regels van elektriciteit en magnetisme tot op het kleinste niveau wijzigen. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , het door MIT geleide team meldt dat in de eerste maand van waarnemingen het experiment geen teken van axionen detecteerde binnen het massabereik van 0,31 tot 8,3 nano-elektronvolt. Dit betekent dat axionen binnen dit massabereik, wat overeenkomt met ongeveer een triljoenste van de massa van een proton, ofwel bestaan ​​ze niet of ze hebben een nog kleiner effect op elektriciteit en magnetisme dan eerder werd gedacht.

"Dit is de eerste keer dat iemand rechtstreeks naar deze axionruimte kijkt, " zegt Lindley Winslow, hoofdonderzoeker van het experiment en de Jerrold R. Zacharias Career Development Assistant Professor of Physics aan het MIT. "We zijn verheugd dat we nu kunnen zeggen:'We hebben een manier om hier te kijken, en we weten hoe we het beter kunnen doen!'"

Winslow's MIT co-auteurs zijn onder meer hoofdauteur Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zacharias Bogorad, Janet Conrad, Joseph Formaggio, Joseph Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler, en Daniel Winklehner, samen met onderzoekers van acht andere instellingen.

Magnetars en munchkins

Terwijl men denkt dat ze overal zijn, er wordt voorspeld dat axions vrijwel spookachtig zijn, met slechts kleine interacties met iets anders in het universum.

"Als donkere materie, ze mogen uw dagelijks leven niet beïnvloeden, "zegt Winslow. "Maar men denkt dat ze dingen op kosmologisch niveau beïnvloeden, zoals de uitdijing van het heelal en de vorming van sterrenstelsels die we aan de nachtelijke hemel zien."

Vanwege hun interactie met elektromagnetisme, Er wordt aangenomen dat axions een verrassend gedrag vertonen rond magnetars - een type neutronenster die een enorm krachtig magnetisch veld opwekt. Als axionen aanwezig zijn, ze kunnen het magnetische veld van de magnetar gebruiken om zichzelf om te zetten in radiogolven, die kunnen worden gedetecteerd met speciale telescopen op aarde.

in 2016, een drietal MIT-theoretici hebben een gedachte-experiment opgesteld voor het detecteren van axions, geïnspireerd door de magnetar. Het experiment kreeg de naam ABRACADABRA, voor de A-breedband/resonante benadering van kosmische axiondetectie met een versterkend B-veldringapparaat, en werd verwekt door Thaler, die universitair hoofddocent natuurkunde is en onderzoeker in het Laboratorium voor Kernwetenschappen en het Centrum voor Theoretische Fysica, samen met Benjamin Safdi, dan een MIT Pappalardo Fellow, en voormalig afgestudeerde student Yonatan Kahn.

Het team stelde een ontwerp voor een kleine, donutvormige magneet bewaard in een koelkast bij temperaturen net boven het absolute nulpunt. Zonder axies, er mag geen magnetisch veld in het midden van de donut zijn, of, zoals Winslow het zegt, "waar de munchkin zou moeten zijn." Echter, als axions bestaan, een detector zou een magnetisch veld in het midden van de donut moeten "zien"

Nadat de groep hun theoretisch ontwerp had gepubliceerd, Winslow, een experimentator, begonnen met het vinden van manieren om het experiment daadwerkelijk te bouwen.

"We wilden zoeken naar een signaal van een axion waar, als we het zien, het is echt de axion, "zegt Winslow. "Dat was het elegante aan dit experiment. Technisch gezien, als je dit magnetische veld zou zien, het kan alleen het axion zijn, vanwege de bijzondere geometrie die ze bedachten."

Op de goede plek

Het is een uitdagend experiment omdat het verwachte signaal minder dan 20 atto-Tesla is. Als referentie, het magnetisch veld van de aarde is 30 micro-Tesla en menselijke hersengolven zijn 1 pico-Tesla. Bij het opzetten van het experiment, Winslow en haar collega's hadden te maken met twee belangrijke ontwerpuitdagingen:de eerste betrof de koelkast die werd gebruikt om het hele experiment bij ultrakoude temperaturen te houden. De koelkast bevatte een systeem van mechanische pompen waarvan de activiteit zeer lichte trillingen zou kunnen genereren waarvan Winslow bang was dat ze een axion-signaal zouden kunnen maskeren.

De tweede uitdaging had te maken met geluid in de omgeving, zoals van nabijgelegen radiostations, elektronica door het hele gebouw aan- en uitzetten, en zelfs LED-lampjes op de computers en elektronica, die allemaal concurrerende magnetische velden zouden kunnen genereren.

Het team loste het eerste probleem op door het hele ding op te hangen, met behulp van een draad zo dun als tandzijde. Het tweede probleem werd opgelost door een combinatie van koude supergeleidende afscherming en warme afscherming rond de buitenkant van het experiment.

"We zouden dan eindelijk gegevens kunnen verzamelen, en er was een zoete streek waarin we boven de trillingen van de koelkast stonden, en onder het omgevingsgeluid dat waarschijnlijk van onze buren komt, waarin we het experiment konden doen."

De onderzoekers voerden eerst een reeks tests uit om te bevestigen dat het experiment werkte en magnetische velden nauwkeurig vertoonde. De belangrijkste test was de injectie van een magnetisch veld om een ​​nep-axion te simuleren, en om te zien dat de detector van het experiment het verwachte signaal produceerde - wat aangeeft dat als een echt axion in wisselwerking stond met het experiment, het zou worden gedetecteerd. Op dit punt was het experiment klaar om te gaan.

"Als je de gegevens neemt en door een audioprogramma laat lopen, je kunt de geluiden horen die de koelkast maakt, " zegt Winslow. "We zien ook andere geluiden aan en uit gaan, van iemand naast de deur die iets doet, en dan is dat geluid weg. En als we naar deze mooie plek kijken, het houdt samen, we begrijpen hoe de detector werkt, en het wordt stil genoeg om de axions te horen."

De zwerm zien

in 2018, het team voerde de eerste run van ABRACADABRA uit, continu bemonstering tussen juli en augustus. Na analyse van de gegevens uit deze periode, ze vonden geen bewijs van axionen binnen het massabereik van 0,31 tot 8,3 nano-elektronvolts die elektriciteit en magnetisme met meer dan een deel op 10 miljard veranderen.

Het experiment is ontworpen om axions van nog kleinere massa's te detecteren, tot ongeveer 1 femtoelektronvolt, evenals axionen zo groot als 1 microelektronvolt.

Het team zal doorgaan met het uitvoeren van het huidige experiment, die ongeveer zo groot is als een basketbal, op zoek naar nog kleinere en zwakkere axions. In de tussentijd, Winslow is aan het uitzoeken hoe het experiment kan worden opgeschaald, tot de grootte van een compacte auto — afmetingen die de detectie van nog zwakkere axions mogelijk maken.

"Er is een reële mogelijkheid van een grote ontdekking in de volgende fasen van het experiment, " zegt Winslow. "Wat ons motiveert, is de mogelijkheid om iets te zien dat het veld zou veranderen. Het is risicovol, natuurkunde met hoge beloning."