Natuurkundigen van de Universiteit van Stockholm en het Max Planck Instituut voor Natuurkunde hebben zich tot plasma's gewend in een voorstel dat een revolutie teweeg kan brengen in de zoektocht naar de ongrijpbare donkere materie.

Donkere materie vormt 85 procent van de materie in het heelal. Oorspronkelijk geïntroduceerd om uit te leggen waarom de sterke kracht, die protonen en neutronen bij elkaar houdt, is hetzelfde heen en weer in de tijd, het zogenaamde axion zou een natuurlijke verklaring zijn voor donkere materie. In plaats van discrete deeltjes, axion zou donkere materie een doordringende golf vormen die door de ruimte stroomt.

Het axion is een van de beste verklaringen voor donkere materie, maar is pas onlangs de focus geweest van grootschalige experimentele inspanningen. Nutsvoorzieningen, er is een haast om met nieuwe ideeën te komen om het axion te vinden in alle gebieden waar het zich zou kunnen verbergen.

"Het vinden van het axion lijkt een beetje op het afstemmen van een radio:je moet je antenne afstemmen totdat je de juiste frequentie oppikt. In plaats van muziek, experimentatoren zouden worden beloond met het 'horen' van de donkere materie waar de aarde doorheen reist. Ondanks dat ze goed gemotiveerd zijn, axions zijn experimenteel verwaarloosd gedurende de drie decennia sinds ze werden genoemd door coauteur Frank Wilczek, " zegt Dr. Alexander Millar van de afdeling Natuurkunde, Universiteit van Stockholm, en auteur van de studie.

Het belangrijkste inzicht van de nieuwe studie van het onderzoeksteam is dat binnen een magnetisch veld, axions zouden een klein elektrisch veld genereren dat zou kunnen worden gebruikt om oscillaties in het plasma aan te drijven. In een plasma, geladen deeltjes zoals elektronen kunnen vrij stromen als een vloeistof. Deze trillingen versterken het signaal, wat leidt tot een betere "axion radio." In tegenstelling tot traditionele experimenten gebaseerd op resonantieholtes, er is bijna geen limiet aan hoe groot deze plasma's kunnen zijn, dus een groter signaal. Het verschil lijkt een beetje op het verschil tussen een walkietalkie en een radiozendmast.

"Zonder het koude plasma, axionen kunnen niet efficiënt in licht worden omgezet. Het plasma speelt een dubbele rol, zowel het creëren van een omgeving die een efficiënte conversie mogelijk maakt, en zorgen voor een resonerend plasmon om de energie van de omgezette donkere materie te verzamelen, " zegt Dr. Matthew Lawson, Postdoctoraal bij de afdeling Natuurkunde, Universiteit van Stockholm, tevens auteur van de studie.

"Dit is een totaal nieuwe manier om naar donkere materie te zoeken, en zal ons helpen zoeken naar een van de sterkste kandidaten voor donkere materie in gebieden die gewoon volledig onontgonnen zijn. Het bouwen van een afstembaar plasma zou ons in staat stellen veel grotere experimenten te doen dan traditionele technieken, veel sterkere signalen geven bij hoge frequenties, " zegt dr. Alexander Millar.

Om deze "axion radio af te stemmen, " stellen de auteurs voor om iets te gebruiken dat een "draadmetamateriaal" wordt genoemd, " een systeem van draden dunner dan haar dat kan worden bewogen om de karakteristieke frequentie van het plasma te veranderen. Binnen een grote, krachtige magneet, vergelijkbaar met die gebruikt in magnetische resonantie beeldvormingsmachines in ziekenhuizen, een draadmetamateriaal verandert in een zeer gevoelige axion-radio.

In nauwe samenwerking met de onderzoekers, een experimentele groep in Berkeley heeft onderzoek en ontwikkeling gedaan naar het concept met de bedoeling om in de nabije toekomst een dergelijk experiment te bouwen.

"Plasmahaloscopen zijn een van de weinige ideeën om naar axionen in deze parameterruimte te zoeken. Het feit dat de experimentele gemeenschap zo snel aan dit idee heeft vastgehouden, is erg opwindend en veelbelovend voor het bouwen van een experiment op volledige schaal, " zegt dr. Alexander Millar.