In de laatste paar decennia, veel experimentele natuurkundigen hebben het bestaan ​​onderzocht van deeltjes die axions worden genoemd, die zou resulteren uit een specifiek mechanisme waarvan zij denken dat het de tegenstrijdigheid tussen theorieën en experimenten zou kunnen verklaren die een fundamentele symmetrie beschrijven. Deze symmetrie wordt geassocieerd met een onbalans tussen materie en antimaterie in het heelal, weerspiegeld in interacties tussen verschillende deeltjes.

Als dit mechanisme in het vroege heelal heeft plaatsgevonden, zo'n deeltje kan een heel kleine massa hebben en 'onzichtbaar' zijn. onderzoekers stelden voor dat het axion ook een veelbelovende kandidaat zou kunnen zijn voor donkere materie, een ongrijpbare, hypothetische soort materie die niet uitzendt, licht reflecteren of absorberen.

Hoewel donkere materie nog niet experimenteel is waargenomen, er wordt aangenomen dat het 85% van de massa van het universum uitmaakt. Het detecteren van axionen kan belangrijke implicaties hebben voor lopende experimenten met donkere materie, omdat het het huidige begrip van deze ongrijpbare deeltjes zou kunnen verbeteren.

Onderzoekers van het Institute for Basic Science (IBS) hebben onlangs een zoektocht uitgevoerd naar onzichtbare axion-donkere materie met behulp van een haloscoop met meerdere cellen die ze hebben ontworpen (d.w.z. een instrument om halo's te observeren, bijzin, en andere soortgelijke fysieke verschijnselen). Hun resultaten waren gunstig in vergelijking met die van eerdere op haloscopen gebaseerde axion-onderzoeken naar donkere materie, het benadrukken van het potentieel van het instrument dat ze hebben gemaakt voor zowel het zoeken naar donkere materie als ander natuurkundig onderzoek.

"Het axion is detecteerbaar in de vorm van een microgolffoton waarin het wordt omgezet in aanwezigheid van een sterk magnetisch veld, "SungWoo Youn, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Een holte-haloscoop, meestal met behulp van een cilindrische resonator geplaatst in een solenoïde om resonantie te gebruiken om het signaal te verbeteren, is de meest gevoelige benadering om de gevestigde theoretische modellen te onderzoeken."

Hoewel holtehaloscopen veelbelovende hulpmiddelen kunnen zijn voor het detecteren van axions, ze zijn over het algemeen erg gevoelig voor relatief lage frequenties. Dit komt voornamelijk omdat resonantiefrequenties omgekeerd evenredig zijn met de straal van de holte, waardoor het detectievolume voor hoogfrequente zoekopdrachten wordt verminderd.

Dit is een van de redenen waarom de meest gevoelige axion-search tot nu toe is uitgevoerd, namelijk het Axion Dark Matter eXperiment (ADMC) van de Universiteit van Washington, experimentele limieten instellen onder 1GHz. Een van de mogelijke manieren om dit volumeverlies te voorkomen, is door veel kleinere holtes samen te bundelen en afzonderlijke signalen te combineren, om ervoor te zorgen dat alle frequenties en fasen gesynchroniseerd zijn.

"Dit systeem met meerdere holtes is eerder voorgesteld, maar is niet succesvol aangepakt, vanwege effecten op de betrouwbaarheid en toegenomen complexiteit van de werking van het systeem, Youn zei. "Ons team van het Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) bij IBS, gevestigd aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) in Zuid-Korea, geleid door mezelf, ontwikkelde zo een nieuw holteontwerp, zogenaamde meercellige holte."

De door Youn en zijn collega's ontworpen holtehaloscoop wordt gekenmerkt door meerdere partities die het volume van de holte verticaal in identieke cellen verdelen. Dit unieke ontwerp verhoogt de resonantiefrequenties met een minimaal volumeverlies. De onderzoekers hebben er ook voor gezorgd dat tussenschotten die zich in het midden van de spouw bevinden, worden gescheiden door een spleet.

"Door alle cellen ruimtelijk met elkaar te verbinden, ons ontwerp maakt het mogelijk dat een enkele antenne het signaal van het hele volume oppikt en daarmee de structuur van de ontvangerketen aanzienlijk vereenvoudigt, " legde Youn uit. "De optimaal bemeten opening zorgt er ook voor dat het axion-geïnduceerde signaal gelijkmatig over de ruimte wordt verdeeld, die het effectieve volume maximaliseert, ongeacht de bewerkingstolerantie en mechanische verkeerde uitlijning in de holteconstructie. Ik noemde dit holteontwerp 'pizzaholte' en vergeleek de opening met een pizzaspaarder, waardoor de plakjes intact blijven met de originele toppings."

De haloscoop die de onderzoekers gebruikten om hun experiment uit te voeren, is het resultaat van ongeveer twee jaar onderzoek op basis van simulaties, gevolgd door de fabricage van talrijke prototypes. In hun recente studie, het werd gebruikt om een ​​zoektocht uit te voeren naar axion-donkere materie met behulp van een 9T-supergeleidende magneet bij een temperatuur van 2 kelvin (-271 ° C). Hierdoor konden de onderzoekers snel een frequentiebereik van> 200 MHz boven 3 GHz, wat 4 tot 5 keer hoger is dan die van het ADMX-experiment.

"Zelfs als we geen axion-achtig signaal hebben waargenomen, we hebben met succes aangetoond dat de meercellige holte in staat zou zijn om hoogfrequente signalen te detecteren met hoge prestaties en betrouwbaarheid, Youn zei. "We hebben ook berekend dat vanwege het grotere volume en de hogere efficiëntie, dit nieuwe ontwerp van de holte stelt ons in staat om het gegeven frequentiebereik 4 keer sneller te verkennen dan het conventionele. Ik doe vaak een humoristische maar zinvolle uitspraak:"Als een traditioneel experiment 4 jaar duurt om iets te onderzoeken, ons experiment duurt slechts 1 jaar. Onze Ph.D. studenten kunnen veel sneller afstuderen dan anderen.'"

De studie uitgevoerd door Youn en zijn collega's bewijst de waarde en het potentieel van de pizza-holte-haloscoop die ze hebben ontwikkeld voor het uitvoeren van onzichtbare zoektochten naar donkere materie in hoogfrequente regio's. In de toekomst, het zou dus kunnen helpen bij het zoeken naar dit ongrijpbare type materie en op een dag misschien zelfs de detectie ervan mogelijk maken.

"Momenteel, ons centrum bereidt ook experimenten voor door verschillende pizzaholtes op de bestaande systemen te enten om te zoeken naar nog hogere frequentie axionen, ' voegde Younes eraan toe.

© 2020 Wetenschap X Netwerk