Het Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) in de antimateriefabriek van CERN heeft nieuwe limieten gesteld aan het bestaan ​​van axion-achtige deeltjes. en hoe gemakkelijk die in een smal massabereik van ongeveer 2,97 neV in fotonen kunnen veranderen, de lichtdeeltjes. het nieuwe resultaat van BASE, gepubliceerd door Fysieke beoordelingsbrieven , beschrijft deze baanbrekende methode en opent nieuwe experimentele mogelijkheden in de zoektocht naar koude donkere materie.

Axions, of axion-achtige deeltjes, zijn kandidaten voor koude donkere materie. Uit astrofysische waarnemingen, wij geloven dat ongeveer 27% van de materie-energie-inhoud van het universum uit donkere materie bestaat. Deze onbekende deeltjes voelen de zwaartekracht, maar ze reageren nauwelijks op de andere fundamentele krachten, als ze die al ervaren. De best geaccepteerde theorie van fundamentele krachten en deeltjes, het standaardmodel van deeltjesfysica genoemd, bevat geen deeltjes die de juiste eigenschappen hebben om koude donkere materie te zijn. Het door BASE gerapporteerde resultaat onderzoekt deze hypothetische achtergrond van donkere materie die overal in het universum aanwezig is.

Aangezien het standaardmodel veel vragen onbeantwoord laat, natuurkundigen hebben theorieën voorgesteld die verder gaan, waarvan sommige de aard van donkere materie verklaren. Onder dergelijke theorieën zijn die die het bestaan ​​van axionen of axion-achtige deeltjes suggereren. Deze theorieën moeten worden getest, en er zijn over de hele wereld veel experimenten opgezet om naar deze deeltjes te zoeken, ook bij CERN. Voor de eerste keer, BASE heeft de tools ontwikkeld om afzonderlijke antiprotonen te detecteren, het antimaterie-equivalent van een proton, op zoek naar donkere materie. Dit is vooral belangrijk omdat BASE niet is ontworpen voor dergelijke onderzoeken.

"BASE heeft extreem gevoelige detectiesystemen om de eigenschappen van enkelvoudig gevangen antiprotonen te bestuderen. Deze detectoren kunnen ook worden gebruikt om te zoeken naar signalen van andere deeltjes dan die geproduceerd door antiprotonen in vallen. In dit werk, we gebruikten een van onze detectoren als antenne om te zoeken naar een nieuw type axion-achtige deeltjes, " zegt Jack Devlin, een CERN-onderzoeker die aan het experiment werkt.

Vergeleken met de grote detectoren die in de Large Hadron Collider zijn geïnstalleerd, BASE is een klein experiment. Het is verbonden met CERN's Antiproton Decelerator, die het voorziet van antiprotonen. BASE vangt deze deeltjes op en sust ze in een Penning-val, een apparaat dat elektrische en sterke magnetische velden combineert. Om botsingen met gewone materie te vermijden, de val werkt bij 5 kelvin (ongeveer -268 graden Celsius), een temperatuur waarbij extreem lage drukken, vergelijkbaar met die in de verre ruimte, zijn bereikt. In deze extreem goed geïsoleerde omgeving, wolken van ingesloten antiprotonen kunnen jaren achtereen bestaan. Door de elektrische velden zorgvuldig af te stellen, de fysici van BASE kunnen individuele antiprotonen isoleren en verplaatsen naar een apart deel van het experiment. In deze regio, zeer gevoelige supergeleidende resonantiedetectoren kunnen de kleine elektrische stroompjes oppikken die worden gegenereerd door enkele antiprotonen terwijl ze door de val bewegen.

In het werk gepubliceerd door Fysieke beoordelingsbrieven , het BASE-team zocht naar onverwachte elektrische signalen in hun gevoelige antiprotondetectoren. In het hart van elke detector bevindt zich een kleine, ongeveer 4 cm doorsnee, donutvormige spoel van supergeleidende draad, die lijkt op de inductoren die je vaak aantreft in gewone elektronica. Echter, de BASE-detectoren zijn supergeleidend en hebben bijna geen elektrische weerstand, en alle omringende componenten zijn zorgvuldig gekozen zodat ze geen elektrische verliezen veroorzaken. Dit maakt de BASE detectoren extreem gevoelig voor kleine elektrische velden. De detectoren bevinden zich in het sterke magnetische veld van de Penning-val; axions van de donkere-materie achtergrond zouden interageren met dit magnetische veld en veranderen in fotonen, die dan kan worden gedetecteerd.

Natuurkundigen gebruikten het antiproton als kwantumsensor om de achtergrondruis op hun detector te kalibreren. Ze begonnen toen te zoeken naar smalle frequentiesignaturen die niet overeenkwamen met detectorruis, hoe zwak ook, wat zou kunnen duiden op die geïnduceerd door axion-achtige deeltjes en hun mogelijke interacties met fotonen. Er werd niets gevonden op de frequenties die werden opgenomen, wat betekent dat BASE erin is geslaagd nieuwe bovengrenzen te stellen voor de mogelijke interacties tussen fotonen en axionachtige deeltjes met bepaalde massa's.

Met deze studie, BASE opent mogelijkheden voor andere Penning trap-experimenten om deel te nemen aan de zoektocht naar donkere materie. Aangezien BASE niet is gebouwd om naar deze signalen te zoeken, er zouden verschillende wijzigingen kunnen worden aangebracht om de gevoeligheid en bandbreedte van het experiment te vergroten en de kans op het vinden van een axion-achtig deeltje in de toekomst te vergroten.

"Met deze nieuwe techniek we hebben twee voorheen niet-verwante takken van experimentele fysica gecombineerd:axionfysica en zeer nauwkeurige Penning-trapfysica. Ons laboratoriumexperiment is complementair aan astrofysica-experimenten en is vooral gevoelig in het lage axion-massabereik. Met een speciaal gebouwd instrument zouden we het landschap van axion-zoekopdrachten kunnen verbreden met behulp van Penning-traptechnieken, ", zegt BASE-woordvoerder Stefan Ulmer.