Wetenschap
De BREAD Collaboration zoekt naar donkere fotonen met behulp van een coaxiale schotelantenne
Er wordt voorspeld dat ongeveer 80% van de materie in het universum zogenaamde 'donkere materie' is, die geen licht uitstraalt, reflecteert of absorbeert en dus niet rechtstreeks kan worden gedetecteerd met behulp van conventionele experimentele technieken.
Hoewel het bestaan van donkere materie nu goed gedocumenteerd is, proberen astrofysici over de hele wereld nog steeds effectieve methoden te bedenken om deze te detecteren en de samenstelling ervan te bevestigen.
Het Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD), een recent opgezet onderzoeksproject geleid door natuurkundigen van de Universiteit van Chicago en het Fermi Accelerator Laboratory, introduceerde een nieuwe aanpak om te zoeken naar kandidaten voor lichte donkere materie, waaronder donkere fotonen en axionen.
De door de BREAD Collaboration voorgestelde methode, uiteengezet in een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters , omvat het gebruik van een coaxiale schotelantenne om signalen op te vangen die met deze deeltjes geassocieerd zouden kunnen worden.
"We weten dat er een vorm van materie om ons heen is die slechts zeer zwak op elkaar inwerkt en geen straling uitstraalt, maar we weten niet waar deze van gemaakt is", vertelde Stefan Knirck, corresponderend auteur van de BREAD Collaboration, aan Phys.org.
‘Er is de afgelopen decennia veel moeite gedaan om te zoeken naar nieuwe fundamentele deeltjes met een vergelijkbare massa als een proton, maar met weinig succes. Daarom wenden we ons tot andere zeer goed gemotiveerde kandidaten:het donkere foton en het axion. "
Er wordt aangenomen dat donkere fotonen en axionen ongeveer 1 biljoen keer lichter zijn dan protonen, dus voor de detectie ervan zouden heel andere technologieën nodig zijn. Hoewel de BREAD-samenwerking nog in de kinderschoenen staat, introduceerde het een nieuwe technologie die is ontworpen om naar deze lichtere deeltjes te zoeken. Het doel van het recente onderzoek van Knirck en zijn collega's was om deze technologie te gaan testen in een eerste kleinschalig experiment.
"Het idee achter ons werk is dat als er axion (of in het geval van dit artikel, donker foton) donkere materie bestaat, deze kan worden omgezet in lichtdeeltjes (fotonen) op een metalen wand", legt Knirck uit. "De fotonen worden loodrecht op de muur uitgezonden.
"In BREAD komt de buitenste cilinder overeen met deze muur. Al dit licht wordt vervolgens gefocust op een klein plekje waar je een lichtdetector of antenne kunt plaatsen om naar een signaal te zoeken. In BREAD is de combinatie van de binnenste druppelvormige reflector en de buitenste cilinder zorgt voor de scherpstelling."
Om de opstelling gevoelig te maken voor donkere materie uit het axion, zou de BREAD Collaboration in een toekomstige versie van het experiment ook een magnetisch veld kunnen toevoegen dat parallel loopt aan de metalen wand. Een uniek kenmerk van de nieuwe detector is dat deze past in zeer grote (m-schaal) hoogveldmagneetmagneten (multi-Tesla).
"In dit eerste experiment concentreerden we ons op het detecteren van 'licht' in het microgolfregime, vergelijkbaar met de microgolven die worden gebruikt wanneer je voedsel thuis opwarmt, " zei Knirck. "Daartoe hebben we een op maat gemaakte microgolfantenne op het brandpunt ontworpen en een zeer gevoelig schema om de kleinste vermogens te zien die door de antenne worden ontvangen. Dit maakte gebruik van de toonaangevende ontwikkelingen op het gebied van de kwantumelektronica die bij Fermilab gaande zijn."
De BREAD Collaboration heeft afgelopen zomer hun eerste gegevensronde verzameld, met name tussen juni en juli 2023. De gegevens die zij hebben verzameld omvatten de thermische ruis die tijdens deze periode door de antenne wordt opgepikt en wat extra ruis door versterking.
"Binnen deze ruis zou een signaal een kleine overmaat zijn, waarnaar we in onze analyse hebben gezocht", zei Knirck. "Dit is vergelijkbaar met het draaien van de frequentieknop op een radio:als er geen zender op een bepaalde frequentie is, hoor je ruis, maar als je langzaam op een zender afstemt, kun je horen dat het signaal van de zender de ruis begint te domineren. ."
Het recente artikel gepubliceerd door Knirck en zijn medewerkers schetst de resultaten van hun eerste zoektocht naar donkere fotonen met behulp van deze nieuwe detector. Hoewel ze geen enkel relevant signaal oppikten, bleek hun experiment ongeveer 10.000 keer gevoeliger te zijn voor het signaalvermogen van donkere fotonen binnen een massa variërend van 44 tot 52 μeV (10,7–12,5 GHz) dan eerder voorgestelde methoden.
"Ons werk demonstreert het potentieel van dit concept en zorgt ervoor dat we het in de toekomst kunnen opschalen en gevoeliger kunnen maken", aldus Knirck. "Dit motiveert om deze technologie te blijven ontwikkelen met een veel betere gevoeligheid over een veel groter bereik van verschillende donkere materiemassa's."
De BREAD Collaboration hoopt dat hun nieuw bedachte aanpak hen daartoe in staat zal stellen
de meest goed gemotiveerde axionmodellen onderzoeken en mogelijk tot hun detectie leiden, wat een enorme doorbraak zou zijn in de deeltjesastrofysica.
De onderzoekers voeren hun experiment nu uit in een 4T-magneet in het Argonne National Laboratory, om de gevoeligheid ervan voor axion-achtige donkere materie te ontsluiten.
"We bouwen ook meer prototypes die het concept combineren met verschillende geavanceerde kwantumtechnologie om gevoelig te zijn voor afzonderlijke lichtdeeltjes in het brandpunt", voegde Knirck eraan toe. "Bij Fermilab verwachten we binnenkort een nog krachtigere magneet te ontvangen die onze experimenten veel gevoeliger zal maken.
"Het langetermijndoel is een grootschalig experimenteel programma met een opstelling op een schaal van ongeveer 10 meter in een enorme magneet, waardoor de best gemotiveerde modellen kunnen worden onderzocht."