Onderzoekers van het Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP), binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea), hebben de eerste resultaten gerapporteerd van hun zoektocht naar axions, onaantastbaar, ultralichte deeltjes die als kandidaten voor donkere materie worden beschouwd. IBS-CAPP is gevestigd aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de analyse combineert gegevens van drie maanden met een nieuw axion-jachtapparaat dat in de afgelopen twee jaar is ontwikkeld.

Het bewijzen van het bestaan ​​van axionen zou twee van de grootste mysteries in de moderne natuurkunde tegelijk kunnen oplossen:waarom sterrenstelsels die in clusters van sterrenstelsels draaien, veel sneller bewegen dan verwacht, en waarom twee fundamentele natuurkrachten verschillende symmetrieregels volgen. Het eerste raadsel ontstond in de jaren dertig, en werd bevestigd in de jaren zeventig toen astronomen opmerkten dat de waargenomen massa van het Melkwegstelsel de sterke aantrekkingskracht van de sterren in de sterrenstelsels niet kon verklaren. Het tweede raadsel, bekend als het sterke CP-probleem, werd in 2019 door het tijdschrift Forbes uitgeroepen tot "de meest onderschatte puzzel in de hele natuurkunde".

Symmetrie is een belangrijk element van de deeltjesfysica en CP verwijst naar de Charge+Parity-symmetrie, waar de wetten van de fysica hetzelfde zijn als deeltjes worden verwisseld met hun corresponderende antideeltjes (C) in hun spiegelbeelden (P). In het geval van de sterke kracht, die verantwoordelijk is voor het bij elkaar houden van kernen, CP-overtreding is theoretisch toegestaan, maar is nooit ontdekt, zelfs in de meest gevoelige experimenten. Anderzijds, CP-symmetrie wordt zowel theoretisch als experimenteel geschonden in de zwakke kracht, die ten grondslag ligt aan sommige soorten radioactief verval. 1977, theoretische fysici Roberto Peccei en Helen Quinn stelden de Peccei-Quinn-symmetrie voor als een theoretische oplossing voor dit probleem, en twee Nobelprijswinnaars voor Natuurkunde, Frank Wilczek en Steven Weinberg, toonde aan dat de Peccei-Quinn-symmetrie resulteert in een nieuw deeltje:het axion. Het deeltje is vernoemd naar een Amerikaans wasmiddel, omdat het de puinhoop van sterke interacties zou moeten opruimen.

Momenteel, naar schatting bestaat 85% van de materie in het heelal uit donkere materie, wat onmerkbaar is. Donkere materie zorgt voor voldoende massa om te voorkomen dat de zon de Melkweg verlaat, maar het is niet zichtbaar onder normale omstandigheden. Met andere woorden, axionen zullen naar verwachting in grote hoeveelheden in het heelal aanwezig zijn, maar om nauwelijks interactie te hebben met de deeltjes die ons bekend zijn.

Volgens de voorspellingen en de gouden regel van Fermi, een axion transformeert spontaan in twee detecteerbare deeltjes (fotonen) met een extreem lage snelheid, en deze omzetting kan sneller zijn in een omgeving waar een van de fotonen al aanwezig is. Bij experimenten, die rol wordt gespeeld door een sterk magnetisch veld, die fotonen levert van alle energieniveaus (vrijwel), het proces enorm versnellen.

Om de axion-naar-foton-conversie te vergemakkelijken, IBS-onderzoekers gebruikten hun op maat gemaakte CAPP-8TB-haloscoop. Dit instrument heeft een cilindervormige supergeleidende magneet met een doorlaat van 165 mm en een centraal magneetveld van 8 Tesla. Het signaal van de door axion voortgebrachte fotonen wordt versterkt in een resonantieholte. Als de juiste frequentie is gekozen, de fotonen resoneerden in de holte en markeerden hun aanwezigheid met een kleine flits. Het team zou ongeveer 100 microgolffotonen per seconde moeten detecteren om een ​​zelfverzekerde uitspraak te doen.

"Dit experiment is geen sprint van 100 meter, maar het eerste doelpunt in een marathonloop. We leerden door te doen, en we hebben nieuwe concepten getest die in de toekomst op hogere systemen kunnen worden gebruikt, " legt Yannis K. Semertzidis uit, de directeur van het Centrum en ook een professor van KAIST.

In deze experimentele run, het team zocht naar axions met een massa tussen 6,62 en 6,82 μeV, overeenkomend met de frequentie tussen 1,6 en 1,65 GHz, een bereik dat werd geselecteerd door kwantumchromodynamica. De onderzoekers toonden experimenteel aan met een betrouwbaarheidsniveau van 90%, het meest gevoelige resultaat in het massabereik tot nu toe, dat er binnen dat bereik geen axion-donkere materie of axion-achtig deeltje is. Op deze manier, CAPP-8TB neemt zijn plaats in tussen andere axion-hunting-experimenten die naar verschillende mogelijke massa's kijken. Bovendien, dit is het enige experiment met dat massabereik dat in de buurt komt van de gevoeligheid die vereist is volgens de twee beroemdste theoretische modellen over axionen:het KSVZ-model en het DFSZ-model. De letters zijn afkortingen die verwijzen naar de wetenschappers die ze hebben voorgesteld.

"We hebben bewezen dat we een veel betere gevoeligheid kunnen bereiken dan alle andere experimenten in dat frequentiebereik en dat we klaar zijn om ons onderzoek op te schalen met grotere systemen. We willen de komende 10 jaar tot de top van ons vakgebied behoren. Daarom het is zo spannend, ", zegt Soohyung Lee, onderzoeksingenieur-fellow, de eerste auteur van de studie.

Het massabereik wordt bepaald door de diameter van de holte. Een grotere diameter kan een gebied met een lagere massa doorzoeken en vice versa. Aangezien de resonantieholte van de CAPP-8TB in de doorzichtige boring van de supergeleidende magneet is geplaatst, IBS-onderzoekers ontwierpen een afstembare koperen cilindrische holte als een resonator met het maximaal beschikbare volume.

Voorbij de holte, de CAPP-8TB-haloscoop beschikt over een aantal geavanceerde technologieën, inclusief een cryogene verdunningskoelkast die -273 graden Celsius bereikt (ongeveer 50 mK boven het absolute nulpunt), een supergeleidende magneet met een sterk magnetisch veld, geluidsarme microgolfelektronica en ultramoderne versterkers.

Het plan is om te zoeken naar axions die de haloscoop afstemmen op een frequentie van 1 tot 10 GHz, en later van 10 tot 25 GHz met een krachtigere magneet met een groot volume, het implementeren van al hun uitvindingen. De zoektocht naar axions gaat non-stop door.