Onderzoekers van de Universiteit van Delaware, University of Arizona en Haverford College hebben onlangs het idee geïntroduceerd om naar scalaire donkere materie te zoeken met behulp van compacte akoestische resonatoren. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , demonstreert theoretisch het potentieel van mechanische systemen bij het zoeken naar donkere materie.

"Als theoreticus die als afgestudeerde student begon op het gebied van optomechanica, Ik heb me vaak afgevraagd of het mogelijk is om enkele van de voortreffelijke apparaten die mijn experimentele collega's ontwikkelen te gebruiken als sensoren voor het detecteren van nieuwe fysieke verschijnselen, "Switi Singh, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Als ik een artikel lees over hoe bepaalde soorten donkere materie kunnen leiden tot een periodiek spanningssignaal, Ik legde de link met mijn eerdere werk over het detecteren van zwaartekrachtsgolven van pulsars. Het doel van ons recente artikel was om de belofte te laten zien van een veel breder scala aan mechanische apparaten als tafelbladsensoren van donkere materie."

Al vele jaren, theoretische fysici hebben het bestaan ​​voorspeld van deeltjes die niet uitstoten, licht reflecteren of absorberen, en kan dus niet worden gedetecteerd met behulp van traditionele hulpmiddelen voor de studie van materie. Hoewel veel onderzoekers hebben geprobeerd deze deeltjes te detecteren, bekend als donkere materie, hun precieze aard blijft onbekend.

"Hoewel we niet weten wat donkere materie is, we kunnen het zoeken vereenvoudigen door ons te concentreren op theoretisch gemotiveerde deeltjes, "Jack Manley, een andere onderzoeker die betrokken was bij de recente studie, vertelde Phys.org. "We hebben ervoor gekozen om te zoeken naar 'ultralichte' donkere materie:deeltjes die in theorie lichter zijn dan neutrino's."

Onderzoekers veronderstellen dat ultralichte donkere materie extreem licht is, zelfs lichter dan neutrino's. Als zulke donkere materiedeeltjes bestonden, hun dichtheid zou zo groot zijn dat ze beter kunnen worden gezien als een vloeistof die de melkweg doordringt, het produceren van een golfachtige verstoring op normale materie.

"De ultralichte donkere materie-hypothese wordt gemotiveerd door scenario's uit de snaartheorie, en bovendien, zou enkele raadselachtige discrepanties kunnen verklaren tussen de voorspellingen van meer prozaïsche donkere moleculen en de verdeling van donkere materie op galactische schalen, "Daniël Grijns, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org.

In hun studie hebben Singh, Manly, Grin en hun collega's zochten naar een specifiek type deeltje dat ervoor zorgt dat de grootte van atomen oscilleert, genaamd scalaire donkere materie. Deze oscillatie zou klein zijn voor een enkel atoom, toch kan het worden versterkt in objecten die uit verschillende atomen zijn samengesteld. Objecten die van nature synchroon met deze oscillatie trillen, kunnen het effect nog verder versterken, lijkt op een muziekinstrument.

"Een belangrijk element van ons werk is het identificeren van een klasse van mechanische objecten die trillen met de frequentie van ultralichte donkere materie en een zeer zuivere resonantie produceren, "Dalziel Wilson, een andere onderzoeker die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "We stellen voor om naar deze apparaten te luisteren in een zeer rustige, cryogene omgeving, licht gebruiken als een soort microfoon."

De onderzoekers willen akoestische compacte resonatoren van supervloeibaar helium of monokristallijne materialen gebruiken om te zoeken naar scalaire kandidaten voor donkere materie. Hun theoretische voorspellingen suggereren dat deze resonatoren toegang zouden kunnen krijgen tot een breed segment van voorheen niet-onderzochte parameterruimte.

Algemeen, de recente studie van Singh, Manly, Grijns, Wilson en hun collega's benadrukken het potentieel van geavanceerde mechanische systemen op cm-schaal voor het detecteren van donkere materie in voorheen onontgonnen regimes, met individuele deeltjesmassa's variërend van 10 ^-48 kg tot 10 ^-42 kg. In de toekomst, deze resonatoren zouden dus een cruciale rol kunnen spelen in de zoektocht naar donkere materie, vooral dat in het ultralichte regime.

"Door samenwerkingen aan te gaan tussen kwantumoptica en gemeenschappen van hoge-energiefysica (zoals we deden door deeltjesfysicus Daniel Grin erbij te betrekken), we kunnen een beter wederzijds begrip ontwikkelen van de motivatie en beperkingen van nieuwe detectoren voor donkere materie, ' zei Singh.

Donkere fotonen, deeltjes waarvan verondersteld wordt dat ze wiskundig vergelijkbaar zijn met fotonen, zijn een van de meest populaire vectorkandidaten voor donkere materie. Hoewel deze deeltjes nog nooit eerder zijn waargenomen, er is nu een aanzienlijke hoeveelheid theorie over hen.

In hun toekomstige studies, de onderzoekers willen graag compacte resonatoren gebruiken om donkere fotonen te zoeken. Hun eerste berekeningen suggereren dat deze mechanische apparaten nieuwe grenzen zouden kunnen stellen aan hoe sterk donkere fotonen zouden koppelen aan normale materie, maar dit kan alleen worden bevestigd door experimentele studies.

"We zijn momenteel bezig met het ontwerpen van een experiment om te zoeken naar vector donkere materie, die koppelt aan de positie in plaats van de grootte van atomen, Wilson zei. "Een eenvoudige snaar- of trommelachtige mechanische resonator zou gevoelig zijn voor dit soort schudden. interessant, inspanningen om de gekwantiseerde beweging van cm-schaal nanostrings en membranen te meten, op het gebied van holte-optomechanica, zou al nieuwe beperkingen kunnen stellen aan het bestaan ​​van dergelijke donkere materie."

© 2020 Wetenschap X Netwerk