Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het Perimeter Institute hebben onlangs nieuwe beperkingen gesteld aan donkere fotonen, die hypothetische deeltjes en bekende kandidaten voor donkere materie zijn. Hun bevindingen, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Physical Review Letters , werden bereikt met behulp van een nieuwe supergeleidende nanodraad-single-photon-detector (SNSPD) die ze ontwikkelden.

"Er is een nauwe samenwerking tussen onze onderzoeksgroepen bij NIST en MIT, respectievelijk geleid door Dr. Sae Woo Nam en Prof. Karl Berggren," vertelde Jeff Chiles, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "We werken samen om de technologie en toepassingen voor ultragevoelige apparaten, supergeleidende nanodraad-single-fotondetectoren of SNSPD's, vooruit te helpen."

De afgelopen jaren hebben Chiles en zijn collega's mogelijke toepassingen overwogen die zouden kunnen profiteren van de SNSPD-detectoren waaraan ze hebben gewerkt, die vrijwel geen achtergrondgeluid hebben en andere gunstige eigenschappen hebben. Ze maakten uiteindelijk kennis met een groep theoretische natuurkundigen van het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada.

Dit team van theoretici had een interessant idee voor een donkere-materiedetector die in een heel ander domein zou kunnen werken dan die welke momenteel worden gebruikt bij het zoeken naar donkere materie. Deze detector, namelijk een meerlagige diëlektrische optische haloscoop, was een veelbelovend concept, maar er zou een optische detector voor nodig zijn die veel beter zou presteren dan de detectoren die momenteel op de markt zijn.

"Dit bleek de perfecte match te zijn, aangezien de MIT- en NIST-groepen de detector en het apparaat konden bouwen en testen", legde Chiles uit. "Dus werkten we samen en noemden ons project LAMPOST (Light A' Multilayer Periodic Optical SNSPD Target). Ons doel was om de eerste experimentele proof-of-concept voor dit idee te bereiken en te bewijzen dat het kan worden gebruikt om naar donkere materie te zoeken met een betere gevoeligheid dan de reeds vastgestelde grenzen."

De optische detector die door Chiles en zijn collega's is bedacht, is gebaseerd op een structuur die bekend staat als een diëlektrische stapel of doelwit. Deze structuur kan van belang zijnde signaalfotonen genereren door een niet-relativistisch donker foton om te zetten in een relativistisch foton met dezelfde frequentie.

"Eerst hebben we een analyse uitgevoerd van de constructie van het apparaat, optische simulaties om de optische collectie-efficiëntie te bepalen, simulatie van de detectie-efficiëntie, berekening van de invloed van polarisatie op het donkere-materiesignaal en het minimale signaalvermogen dat compatibel is met de mogelijke bereik van doeleigenschappen," vertelde Ilya Charaev, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, aan Phys.org. "Met behulp van de SNSPD-techniek werden alle binnenkomende signalen geregistreerd gedurende een blootstelling van 180 uur."

Om een ​​limiet te stellen aan de koppeling van donkere materie, schatten de onderzoekers de donkere telsnelheid, ook wel "ruis" genoemd voor de SNSPD-detector die ze ontwikkelden. Interessant is dat hun geschatte ruiswaarde de laagste is van alle waarden die in de natuurkundige literatuur worden gerapporteerd.

"Met name zijn we in ons doel geslaagd, omdat we in staat waren om te scannen naar een soort donkere materie, met name 'donkere fotonen', twee keer zo gevoelig als al het andere in het energiebereik dat we zochten," zei Chiles. "In het grote geheel is dit nog steeds een kleine stap uit een enorm scala aan mogelijkheden voor donkere materie. Maar voor onze eerste run om de bestaande grenzen te overschrijden, is een belangrijke eerste stap, en voor mij spreekt dit over de kracht en eenvoud van de meerlaagse diëlektrische optische haloscoopbenadering."

In hun experimenten verzamelde dit team van onderzoekers waardevolle inzichten die toekomstige zoekopdrachten naar donkere fotonen zouden kunnen informeren, terwijl ze mogelijk ook het gebruik van SNSPD's zouden kunnen aanmoedigen. Naast het instellen van nieuwe beperkingen op donkere fotonen, leerden Chiles en zijn collega's meer over de mogelijkheden van hun detector.

Het meest opvallende was dat ze ontdekten dat de ruis in hun detector ongelooflijk laag was. Meer specifiek heeft het team slechts 5 "valse gebeurtenissen" waargenomen voor een van hun enkelvoudige fotondetectoren gedurende 180 uur aan gegevensverzameling, wat suggereert dat hun technologie zeer gevoelig is voor zwakke signalen.

"Het is opwindend om te bedenken voor welke andere natuurkundige experimenten met zeldzame gebeurtenissen deze technologie in de nabije toekomst zou kunnen worden toegepast", voegde Chiles eraan toe. "Ondertussen zijn we van plan om het experiment vanaf hier op te schalen. De eerste run was een proof-of-concept, maar de volgende zal gevoelig genoeg zijn om een ​​grote parameterruimte voor donkere materie te dekken, die zowel axionen als donkere fotonen zal bevatten ." + Verder verkennen

Gravitatiegolfdetectoren om donkere materie te zoeken

© 2022 Science X Network