ADMX, met zijn toonaangevende gevoeligheid, heeft axions van een bepaald massabereik uitgesloten als donkere materie.

Axionen zijn een hypothetische kandidaat voor de donkere materie die het grootste deel van de massa van ons Melkwegstelsel uitmaakt. Het Axion Dark Matter eXperiment zoekt naar "onzichtbare" axionen die uit onze melkweg komen en die worden omgezet in detecteerbare lichtdeeltjes, fotonen genoemd, binnen het krachtige magnetische veld van het experiment.

"Als je op zoek bent naar een nieuw deeltje zoals een axion, je onderzoekt interacties die resulteren in bekende deeltjes, zoals fotonen, " zei Rakshya Khatiwada, Onderzoeksmedewerker van Fermilab die de afgelopen vier jaar de ontwikkeling van geluidsarme detectoren voor ADMX heeft geleid.

Fermilab is het leidende DOE-laboratorium voor ADMX, die wordt georganiseerd door de Universiteit van Washington. Fermilab wordt gefinancierd door het Department of Energy Office of Science.

Binnen ADMX, een supergeleidende magneet genereert een magnetisch veld dat niet-detecteerbare axionen in fotonen zou veranderen. Binnen dat veld zit een detector die kan worden afgestemd op verschillende frequenties die overeenkomen met signalen van axionen van verschillende massa's afkomstig van de halo van donkere materie in de Melkweg, vergelijkbaar met hoe een radio afstemt op een radiostation.

Als je een liniaal zou kunnen uitrekken van het ene uiteinde van de zichtbare Melkweg naar het andere, het zou ongeveer 100 meten, 000 lichtjaar in doorsnede, wat betekent dat het licht - het snelste ding in het universum - zoveel jaren zou kosten om van het ene uiteinde naar het andere te reizen. Voor perspectief, het licht heeft slechts acht minuten nodig om van de zon naar de aarde te reizen.

Maar de werkelijke grootte van onze melkweg is misschien nog groter dan dat.

Wetenschappers geloven dat een bolvormige wolk van donkere materie - een halo van donkere materie - bijna elk sterrenstelsel omsluit. Deze galactische donkere materie zou het dichtst zijn in het centrum van de melkweg, met afnemende dichtheid als men naar buiten beweegt. De aarde is ongeveer 25, 000 lichtjaar van het centrum van de Melkweg, zodat natuurkundigen kunnen voorspellen wat de lokale dichtheid van donkere materie zou moeten zijn.

Het bestaan ​​van donkere materie werd voor het eerst voorgesteld in 1933 op basis van de beweging van de Coma-cluster. Wetenschapper Fritz Zwicky berekende dat, gezien de manier waarop sterrenstelsels aan de rand van de cluster bewogen, het cluster had veel meer massa moeten hebben dan was waargenomen. Om rekening te houden met het schijnbare gebrek aan voldoende massa, hij stelde voor dat er een andere materie - donkere materie - aan het werk moest zijn. Het bewijs voor donkere materie is sindsdien opgestapeld, maar wetenschappers moeten de bouwstenen van deze onzichtbare materie nog direct in het laboratorium detecteren.

De uitdaging bij het vinden van donkere materie is dat het zeer zelden interageert met gewone materie. Ter vergelijking, neem het neutrino - een bekend deeltje waarvan ooit werd gedacht dat het een kandidaat was voor de donkere materie. Neutrino's staan ​​bekend om hun zeer zwakke interacties - er gaan elke seconde ongeveer 100 miljard door het topje van je duim. Ze varen door je heen zonder jou, of je lichaam, ooit opvalt. En toch, wetenschappers ontdekten hoe ze experimenten konden bouwen om neutrino's te detecteren. Het feit dat we nog steeds geen donkere materie hebben gedetecteerd, betekent dat hun interacties nog zwakker zijn en dat we nog gevoeligere experimenten nodig hebben om ze te detecteren.

Indien gevonden, axions zouden ook een ander natuurkundig raadsel oplossen:het probleem van de sterke ladingspariteit.

1977, natuurkundigen Helen Quinn en Roberto Peccei stelden een nieuw model voor om uit te leggen waarom de sterke interacties de ladingpariteit (CP) symmetrie niet schenden. Kort daarna, twee andere natuurkundigen (en latere Nobelprijswinnaars) Frank Wilczek en Steven Weinberg realiseerden zich dat het model van Peccei en Quinn het bestaan ​​van een nieuw deeltje voorspelde, het axion, en later realiseerde men zich dat axions de donkere materie zouden kunnen zijn. Het sterke CP-probleem is complex, maar het heeft in wezen hetzelfde probleem dat astrofysica heeft zonder donkere materie:theorie en observatie, met betrekking tot het standaardmodel van de natuurkunde, komen niet overeen. Net als bij donkere materie, dit enigma betekent dat er iets is dat wetenschappers nog volledig moeten begrijpen over de natuur.

Het potentieel om twee grote natuurkundige vragen tegelijk te beantwoorden, maakt axions populaire deeltjes om naar te zoeken.

in 2017, ADMX werkte met de hoogste gevoeligheid van alle axion-experimenten tot nu toe. Daarbij, het sloot een reeks mogelijke axionmassa's uit.

Nu heeft de ADMX-samenwerking haar nieuwste resultaten vrijgegeven op basis van gegevens die in 2018 zijn genomen. De nieuwe resultaten sluiten nog een ander massabereik uit, vier keer breder dan de eerste, met behoud van dezelfde mate van uitzonderlijke gevoeligheid.

"Dit resultaat is zo goed als mogelijk voor axionen in het massabereik waar ADMX gevoelig voor is, " zei Khatiwada. "Wat ongelooflijk waardevol is, omdat we zeggen, met een hogere mate van zekerheid dan ooit tevoren dat axions daar niet bestaan."

Wetenschappelijke ontdekkingen, vooral van deeltjes die zeer zelden interageren met materie, vertrouwen op dit uitroeiingsproces. Het Higgs-deeltje, bijvoorbeeld, werd in 2012 ontdekt door de LHC bijna 50 jaar nadat het voor het eerst werd voorgesteld. Zonder zowel CERN's Large Electron-Positron Collider als Fermilab's Tevatron beperkingen op welke massa's mogelijk waren voor het ongrijpbare deeltje, de LHC-experimenten zouden niet precies weten waar ze moesten zoeken. Zonder beperkingen op te leggen, het is vrijwel onmogelijk om nieuwe, zwak interagerende deeltjes.

Met beide resultaten ADMX heeft de mogelijkheid uitgesloten dat er axionen bestaan ​​met een massa tussen 2,66 en 3,33 miljoenste van een elektronvolt in energie. Ter vergelijking, de massa van het elektron is 511, 000 elektronvolt.

Met meer gegevens en zijn uitstekende gevoeligheid, ADMX zal kunnen ontdekken of axionen bestaan ​​of ze kunnen uitsluiten over een veel breder scala aan massa's.

ADMX zal dit jaar nog een datarun starten om het bereik boven 3,33 miljoenste van een elektronvolt te verkennen. En het zal zijn gevoeligheid voor axions alleen maar vergroten met nieuwe en opkomende ontwikkelingen in het verminderen van achtergrondgeluid.

"Het is surrealistisch om te helpen bij het opzetten en uitvoeren van een experiment dat uniek is in de wereld, "zei Khatiwada. "Het is echt de moeite waard om te zien dat het harde werk van iedereen, van afgestudeerde studenten en postdocs tot wetenschappers en professoren, zijn vruchten afwerpt."