De ADMX-samenwerking, een groep onderzoekers die aan universiteiten in de VS en Europa werken, heeft onlangs een nieuwe zoektocht naar onzichtbare axion donkere materie uitgevoerd met behulp van een holtehaloscoop en een geluidsarme Josephson parametrische versterker. Cavity haloscopen zijn gevoelige instrumenten die zijn ontworpen om halo's rond lichtgevende lichamen of andere fysieke verschijnselen te detecteren en te bestuderen. Josephson parametrische versterkers, anderzijds, zijn technologische hulpmiddelen die kunnen worden gebruikt om kwantumtoestanden van microgolflichtvelden te manipuleren.

In hun recente krant gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers zochten naar axions van donkere materie in de galactische halo met een massa tussen 2,81-3,31  μeV. De resultaten van deze zoektocht kunnen helpen om eerdere theoretische voorspellingen uit te sluiten, het informeren van de toekomstige zoektocht naar onzichtbare axion donkere materie.

"Onze recente zoektocht werd gemotiveerd door twee verschillende mysteries in de natuurkunde, die beide zouden worden opgelost met de detectie van axion donkere materie, "Nick Du, onderzoeker aan de Universiteit van Washington en co-auteur van het recente artikel, vertelde Phys.org. "De eerste hiervan is het mysterie van de donkere materie."

Eerdere natuurkundige studies hebben bewijs gevonden dat wat we normaal gesproken beschouwen als materie slechts ongeveer 15% uitmaakt van de totale massa van het universum. De resterende 85% wordt verondersteld te bestaan ​​uit deeltjes die niet absorberen, licht uitstralen of weerkaatsen, en kan dus niet worden gedetecteerd met behulp van traditionele technieken voor het bestuderen van materie.

Dit niet-lichtgevende materiaal, bekend als donkere materie, blijft een van de grootste mysteries in de hedendaagse natuurkunde, omdat onderzoekers nog steeds niet zeker weten of het bestaat en waar het van gemaakt is. Hoewel er nu talloze zoektochten naar donkere materie zijn geweest met behulp van een verscheidenheid aan instrumenten, dit mysterieuze materiaal is tot nu toe nooit waargenomen of gedetecteerd.

"Een mogelijke oplossing voor wat donkere materie zou kunnen zijn, komt uit een ander natuurkundig gebied, namelijk kernfysica, in de vorm van een ander mysterie dat bekend staat als het Strong CP-probleem, Du legde uit. "Een populaire oplossing voor het Strong CP-probleem voorspelt het bestaan ​​van een nieuw deeltje dat bekend staat als het axion, en de eigenschappen van het axion maken het een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie. In het kijken naar axion donkere materie, de ADMX-samenwerking hoopt zowel het Strong CP-probleem als het mysterie rond de aard van donkere materie op te lossen. "

De holtehaloscoop die door Du en zijn collega's wordt gebruikt, bestaat uit een resonantieholte die in een groot magnetisch veld is geplaatst. Volgens theoretische voorspellingen axionen van donkere materie in de galactische halo zouden zich moeten koppelen aan het magnetische veld in de holte en fotonen moeten produceren.

Het aantal geproduceerde fotonen is waarschijnlijk erg klein, waardoor het resulterende signaal erg moeilijk te detecteren is. Door de resonantieholte in de axionhaloscoop af te stemmen op dezelfde frequentie als de fotonen, echter, het aantal fotonen dat door de galactische halo wordt geproduceerd, kan worden verbeterd.

"Op een manier, onze zoektocht naar axion donkere materie lijkt veel op hoe een radio werkt, " zei Du. "Als de frequentie van een radio wordt afgestemd, men kan op verschillende radiostations oppikken. Wat dat betreft, ons experiment is vergelijkbaar, behalve dat we de frequentie van ons radiostation niet kennen en het signaal veel zwakker is."

De zoektocht naar axionen van donkere materie is al tientallen jaren aan de gang, en Du en zijn collega's hebben al een aantal van dergelijke zoekopdrachten uitgevoerd met hun holtehaloscoop. Hoewel ze tot nu toe geen onzichtbare axions konden detecteren, de resultaten van hun recente experiment sluiten een reeks axionmassa's uit die eerder werden voorspeld door theoretische benchmarkmodellen van axion-donkere materie.

"Dit is eigenlijk de tweede keer dat ons experiment deze gevoeligheid voor axion-donkere materie heeft bereikt, maar deze keer, we hebben het bereik dat we in onze vorige studie hebben behandeld, verdrievoudigd, " zei Du. "Door deze gevoeligheid te bereiken en uit te breiden, we hebben aangetoond dat in de voortdurende zoektocht naar axion donkere materie, ADMX vertegenwoordigt een van de beste hoop om het te vinden."

De waarnemingen verzameld door Du en zijn collega's kunnen toekomstige zoekopdrachten naar axionen van donkere materie informeren, terwijl het ook de weg vrijmaakt voor nieuwe theoretische voorspellingen. De onderzoekers doen nu een nieuwe zoektocht naar axion donkere materie bij hogere frequenties. Als deze zoekopdracht ook niet succesvol is, ze zijn van plan om te blijven zoeken naar onzichtbare axions op nog grotere frequenties.

"Bij hogere frequenties, axion donkere materie wordt moeilijker te detecteren, omdat de conventionele holtes die we zouden gebruiken niet meer zo gevoelig zijn voor axionen, " zei Du. "Echter, we hebben al een aantal interessante prototypes om dit te omzeilen, zoals experimenten die een array met meerdere holtes gebruiken om donkere materie op te sporen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk