Wetenschappers zijn er zeker van dat donkere materie bestaat. Nog, na meer dan 50 jaar zoeken, ze hebben nog steeds geen direct bewijs voor de mysterieuze substantie.

Swati Singh van de Universiteit van Delaware behoort tot een kleine groep onderzoekers in de donkere materiegemeenschap die zich beginnen af ​​te vragen of ze op zoek zijn naar het juiste type donkere materie.

"Wat als donkere materie veel lichter is dan waar traditionele deeltjesfysica-experimenten naar op zoek zijn?" zei Singh, een assistent-professor elektrische en computertechniek aan de UD.

Nutsvoorzieningen, Singh, Jack Manley, een UD-promovendus, en medewerkers van de Universiteit van Arizona en Haverford College hebben een nieuwe manier voorgesteld om te zoeken naar de deeltjes waaruit donkere materie zou kunnen bestaan ​​door bestaande sensortechnologie op tafelbladen te hergebruiken. Het team rapporteerde onlangs hun aanpak in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Co-auteurs van het papier zijn onder meer Dalziel Wilson, een assistent-professor optische wetenschappen uit Arizona, Mitul Dey Chowdhury, een doctoraalstudent in Arizona, en Daniël Grijns, een assistent-professor natuurkunde aan het Haverford College.

Geen gewone zaak

Singh legde uit dat als je alle dingen die licht uitstralen bij elkaar optelt, zoals sterren, planeten en interstellair gas, het is slechts goed voor ongeveer 15% van de materie in het universum. De overige 85% staat bekend als donkere materie. Het straalt geen licht uit, maar onderzoekers weten dat het bestaat door zijn zwaartekrachteffecten. Ze weten ook dat het geen gewone materie is, zoals aardgas, stof, sterren, planeten en wij.

"Het kan bestaan ​​uit zwarte gaten, of het kan bestaan ​​uit iets biljoenen keren kleiner dan een elektron, bekend als ultralichte donkere materie, " zei Singh, een kwantumtheoreticus die bekend staat om haar baanbrekende inspanningen om mechanische detectie van donkere materie vooruit te helpen.

Een mogelijkheid is dat donkere materie bestaat uit donkere fotonen, een soort donkere materie die een zwakke oscillerende kracht zou uitoefenen op normale materie, waardoor een deeltje heen en weer beweegt. Echter, aangezien donkere materie overal is, het oefent die kracht op alles uit, waardoor het moeilijk is om deze beweging te meten.

Singh en haar medewerkers zeiden dat ze denken dat ze dit obstakel kunnen overwinnen door optomechanische versnellingsmeters te gebruiken als sensoren om deze oscillatie te detecteren en te versterken.

"Als de kracht materiaalafhankelijk is, door twee objecten te gebruiken die uit verschillende materialen zijn samengesteld, zal de hoeveelheid die ze worden gedwongen anders zijn, wat betekent dat je dat verschil in versnelling tussen de twee materialen zou kunnen meten, " zei Manley, hoofdauteur van de krant.

Wilson, een quantum-experimentalist en een van de medewerkers van het UD-team, vergeleek een optomechanische versnellingsmeter met een miniatuur stemvork. "Het is een vibrerend apparaat dat, door zijn kleine formaat, is zeer gevoelig voor verstoringen uit de omgeving, " hij zei.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben een experiment voorgesteld met een membraan gemaakt van siliciumnitride en een vaste berylliumspiegel om licht tussen de twee oppervlakken te kaatsen. Als de afstand tussen de twee materialen verandert, de onderzoekers zouden uit het gereflecteerde licht weten dat er donkere fotonen aanwezig waren, omdat het siliciumnitride en beryllium verschillende materiaaleigenschappen hebben.

Samenwerking was een belangrijk onderdeel van de ontwikkeling van het ontwerp van het experiment, volgens Manley. Hij en Singh (theoretici) werkten samen met Wilson en Dey Chowdhury (experimentalisten) aan de theoretische berekeningen die werden gebruikt in de gedetailleerde blauwdruk voor het bouwen van hun voorgestelde tafelbladversnellingsmetersensor. In de tussentijd, Grijns, een kosmoloog, hielp licht te werpen op de deeltjesfysica-aspecten van ultralichte donkere materie, zoals waarom het ultralicht zou zijn, waarom het op een andere manier aan materialen kan worden gekoppeld en hoe het kan worden geproduceerd.

Als theoreticus, Manley zei dat de mogelijkheid om meer te leren over hoe apparaten werken en hoe experimentatoren dingen bouwen om de theorieën die hij en Singh ontwikkelen te bewijzen, zijn expertise heeft verdiept en tegelijkertijd zijn blootstelling aan mogelijke carrièrepaden heeft vergroot.

Een groeiend oeuvre

belangrijk, dit nieuwste werk bouwt voort op eerder gepubliceerd onderzoek van de samenwerkende teams, gemeld afgelopen zomer in Fysieke beoordelingsbrieven . De krant, waaronder bijdragen van voormalig UD-afgestudeerde student Russell Stump, toonde aan dat verschillende bestaande en op korte termijn apparaten op laboratoriumschaal gevoelig genoeg zijn om te detecteren, of uitsluiten, mogelijke deeltjes die ultralichte donkere materie zouden kunnen zijn.

Het onderzoek meldde dat bepaalde soorten ultralichte donkere materie zich zouden verbinden, of stel, met normale materie op een manier die een periodieke verandering in de grootte van atomen zou veroorzaken. Hoewel kleine fluctuaties in de grootte van een enkel atoom misschien moeilijk waar te nemen zijn, het effect wordt versterkt in een object dat uit veel atomen bestaat, en verdere versterking kan worden bereikt als dat object een akoestische resonator is. De samenwerking evalueerde de prestaties van verschillende resonatoren gemaakt van diverse materialen, variërend van supervloeibaar helium tot enkelkristallijn saffier, en ontdekte dat deze sensoren kunnen worden gebruikt om dat door donkere materie geïnduceerde spanningssignaal te detecteren.

Beide projecten werden gedeeltelijk ondersteund door Singh's financiering van de National Science Foundation om opkomende ideeën te onderzoeken rond het gebruik van ultramoderne kwantumapparaten om astrofysische verschijnselen te detecteren met tabletoptechnologieën die kleiner en goedkoper zijn dan andere methoden.

Samen, Singh zei, deze papers breiden het oeuvre uit over wat er bekend is over mogelijke manieren om donkere materie te detecteren en suggereren de mogelijkheid van een nieuwe generatie tafel-experimenten.

Singh en Manley werken samen met andere experimentele groepen, te, om extra tafelbladsensoren te ontwikkelen om dergelijke donkere materie of andere zwakke astrofysische signalen op te sporen. Ze cultiveren ook actief bredere discussies over dit onderwerp binnen de gemeenschappen van donkere materie en kwantumsensoren.

Bijvoorbeeld, Singh besprak onlangs de vooruitgang op het gebied van transformationele instrumentatie in deeltjesfysica-detectoren tijdens een virtuele workshop georganiseerd door het Coordinating Panel for Advanced Detectors (CPAD) van het Department of Energy. Ze presenteerde deze resultaten ook tijdens een speciale workshop tijdens de aprilbijeenkomst van de American Physical Society.

"Het is een spannende tijd, en ik leer veel van de vragen die wetenschappers met verschillende achtergronden stellen tijdens dergelijke workshops, "zei Singh. "Maar het is vermeldenswaard dat mijn meest originele onderzoeksideeën nog steeds voortkomen uit vragen van nieuwsgierige studenten."