De internationale ALPS II-samenwerking ("Any light particle search") heeft vandaag de eerste van 24 supergeleidende magneten geïnstalleerd, markeert het begin van de installatie van een uniek deeltjesfysica-experiment om donkere materie te zoeken. Gevestigd in het Duitse onderzoekscentrum DESY in Hamburg, het is ingesteld om in 2021 gegevens te verzamelen door te zoeken naar donkere materiedeeltjes die letterlijk licht door een muur laten schijnen, en geeft zo aanwijzingen voor een van de grootste vragen in de natuurkunde van vandaag:wat is de aard van donkere materie?

"Het is heel opwindend om te zien dat het project waar velen van ons al zoveel jaren aan hebben gewerkt, eindelijk vorm krijgt in de tunnel, ALPS-II-woordvoerder Axel Linder van DESY zei. "Als de installatie en inbedrijfstelling volgens plan verlopen, kunnen we in de eerste helft van 2021 met de zoektocht beginnen."

Donkere materie is een van de grootste mysteries in de natuurkunde. Waarnemingen en berekeningen van de beweging van sterren in sterrenstelsels, bijvoorbeeld, laten zien dat er meer materie in het heelal moet zijn dan we kunnen verklaren met materiedeeltjes die we tegenwoordig kennen. In feite, donkere materie moet 85% uitmaken van alle materie in het heelal. Echter, momenteel weten we niet wat het is. Maar we weten dat het geen interactie heeft met gewone materie en in wezen onzichtbaar is, zodat het "donker" wordt genoemd.

Er zijn verschillende theorieën die de aard van donkere materie en de deeltjes waaruit het kan bestaan ​​proberen te verklaren. Een van deze theorieën stelt dat donkere materie bestaat uit zeer lichte deeltjes met zeer specifieke eigenschappen. Een voorbeeld is het axion dat oorspronkelijk werd gepostuleerd om aspecten van de sterke interactie te verklaren, een van de fundamentele krachten van de natuur. Er zijn ook raadselachtige astrofysische waarnemingen zoals discrepanties in de evolutie van stellaire systemen, wat ook zou kunnen worden verklaard door het bestaan ​​van axionen of axion-achtige deeltjes.

Hier komt ALPS II om de hoek kijken. Het is ontworpen om die axions te creëren en te detecteren. Een sterk magnetisch veld kan ervoor zorgen dat axions overschakelen naar fotonen en vice versa. "Deze bizarre eigenschap werd al geëxploiteerd in het eerste ALPS I-experiment dat we van 2007 tot 2010 hebben uitgevoerd. Ondanks zijn beperkte omvang, het bereikte wereldwijd de beste gevoeligheden voor dit soort experimenten, " zei Benno Willke, de leider van de ALPS en van de laserontwikkelingsgroep aan het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica (Albert Einstein Instituut) en aan het Instituut voor Gravitatiefysica aan de Leibniz Universität van Hannover.

ALPS II wordt opgesteld in een rechte tunnelsectie van DESY's voormalige deeltjesfysica-versneller HERA. Vierentwintig supergeleidende versnellermagneten, twaalf aan weerszijden van een muur, huisvesten twee 120 meter lange optische holtes. Een krachtig en ingewikkeld lasersysteem produceert licht dat wordt versterkt door de holte in het magnetische veld en zal, tot een zeer kleine fractie, omzetten in donkere materiedeeltjes. Een lichtblokkerende barrière - een muur - scheidt het tweede compartiment van ALPS II, maar deze muur is geen hindernis voor axions en soortgelijke deeltjes die er gemakkelijk doorheen kunnen. In de tweede holte zouden donkere materiedeeltjes weer in licht worden omgezet. Het kleine signaal wordt opgevangen door speciale detectiesystemen.

De meer dan 1, Een duizendvoudige verbetering van de gevoeligheid van ALPS II wordt mogelijk gemaakt door de grotere lengte van de magneetstrings, maar ook door aanzienlijke vooruitgang in optische technologieën. "Deze vooruitgang kwam voort uit het werk aan zwaartekrachtgolfinterferometers zoals GEO600 en LIGO, en mooi laten zien hoe technologische vooruitgang op het ene gebied vooruitgang mogelijk maakt op andere, " zei medewoordvoerder Guido Mueller van de Universiteit van Florida in Gainesville.

ALPS II is ook een voorbeeld van recycling in onderzoek:het hergebruikt niet alleen een stuk tunnel waarin ooit DESY's vlaggenschip deeltjesversneller was gehuisvest, maar het hergebruikt ook de magneten die tot 2007 protonen rond de ring dreven. Deze magneten moesten opnieuw worden ontworpen om te passen bij de ALPS-doeleinden:de lichte buiging die nodig was in een versnellerring moest worden verwijderd om fotonen er doorheen te laten voortplanten.

Het ALPS II-samenwerkingsverband bestaat uit zo'n 25 wetenschappers van deze instituten:DESY, het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica (Albert Einstein Instituut) en het Instituut voor Gravitatiefysica aan de Leibniz Universität van Hannover, de Johannes Gutenberg-Universität Mainz, de Universiteit van Florida in Gainesville, en de Universiteit van Cardiff. Verder dan dat, de samenwerking wordt ondersteund door partners wereldwijd zoals het National Metrology Institute (PTB) in Duitsland en het National Institute of Standards and Technology in de VS. Het experiment wordt voornamelijk gefinancierd door DESY, de Stichting Heising-Simons, de Amerikaanse National Science Foundation, de Duitse Volkswagen Stiftung en de Duitse Onderzoeksstichting (DFG).

Bij DESY, ALPS II is misschien wel het eerste experiment binnen een nieuwe strategische aanpak om donkere materie aan te pakken. "Internationale samenwerkingen bereiden het IAXO-experiment voor om te zoeken naar axionen die worden uitgezonden door de zon en de MADMAX-detector, die direct zal zoeken naar axions als bestanddelen van de lokale donkere materie die ons omringt", legde Joachim Mnich uit, DESY's directeur voor deeltjesfysica.