Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

En radio, der søger efter mørkt stof

Radioen med mørkt stof er en bordplade, der kunne forklare det mystiske stof, der udgør 85 procent af massen af ​​vores univers. Kredit:Harrison Truong

Et hold af Stanford University-forskere er på en mission for at identificere mørkt stof én gang for alle. Men først, de bliver nødt til at bygge verdens mest følsomme radio.

"Mørkt stof er det meste af stoffet i vores univers. Vi ved ikke, hvad det er, men vi ved, at det er der, fordi vi kan se dets gravitationseffekter, " forklarede Peter Graham, en lektor i fysik ved Stanfords School of Humanities and Sciences og en af ​​lederne af denne søgen efter mørkt stof. "Vi ved også, at den skal være lavet af en helt anden partikel med andre egenskaber end noget, vi nogensinde har fundet."

Graham og Savas Dimopoulos, Hamamoto familieprofessor i fysik ved Stanford, har udviklet teorier om mørkt stof, der går ind for højpræcisionseksperimenter med fokus på at finde aksioner, teoretiserede partikler, der er blandt de mest sandsynlige kandidater til mørkt stof. Deres teorier - engang anset for "interessante, men derude, " ifølge Graham - vinder popularitet, efterhånden som andre kandidater til mørkt stof bliver udelukket, og nye teknologier gør deres krævende eksperimenter mulige. Nu har Gordon og Betty Moore Foundation bevilget Stanford-forskere omkring 2,5 millioner dollars til prototype af en ny slags mørkt stof-sensor .

Guidet af Graham og Dimopoulos' teorier, Kent Irwin, professor i fysik, af partikelfysik og astrofysik og fotonvidenskab ved Stanford og SLAC National Accelerator Laboratory, bygger Dark Matter Radio, som vil søge efter signalet fra axions på samme måde som en standard AM-radio opfanger en udsendelse. Som en AM-radiostation, axion mørkt stof har en præcis frekvens, men denne frekvens er ukendt. På grund af fremskridt inden for kvantesensorer, radioen vil være meget mere følsom end tidligere eksperimenter med mørkt stof, og i stand til at scanne et stort skår af de frekvenser, der med størst sandsynlighed vil afsløre aksioner.

"Dette projekt er et virkelig smukt eksempel på mennesker med meget forskellig ekspertise, der går sammen for at løse et hårdt problem, " sagde Risa Wechsler, direktør for Kavli Instituttet for Partikelastrofysik og Kosmologi (KIPAC) og professor i fysik og i partikelfysik og astrofysik. "Mørkt stof er 85 procent af massen i universet, og jeg tror, ​​det er meget usandsynligt, at vi ville eksistere uden det. Det spændende ved dette eksperiment er, at det åbner så meget opdagelsesrum, som tidligere var utilgængeligt."

Selvom forskerne ikke finder aksionen, deres arbejde ville udmærke sig ved at søge en betydelig brøkdel af dets mulige frekvensområde. Forskerne er også spændte på at se, hvordan deres sensorudvikling vil bidrage til spinoff-applikationer på forskellige områder.

Peter Graham og Kent Irwin bygger en enhed på størrelse med bordpladen til at detektere mørkt stof. Kredit:Harrison Truong

The Dark Matter Radio

Mørkt stof udgør det meste af massen i universet, men hver aksion er teoretiseret til at have så lav en masse – der falder i kategorien ultralet mørkt stof – at den kan sprede sig ud over kilometer. Kvantemekanik, som er studiet af ekstremt små partiklers adfærd, hævder, at hver partikel også opfører sig som en bølge. Så, hvis aksioner eksisterer, de bølger rundt omkring os som et radiosignal. Dark Matter Radio-teamet vil scanne efter frekvensen, der bærer signalet fra de bølgelignende bølger af dette hav af overlappende aksioner.

Det første trick er at konvertere axionbølger til radiobølger - udført af et stærkt magnetfelt inde i Dark Matter Radio. Dark Matter Radio er også omgivet af et superledende skjold af niobium, der blokerer almindelige radiosignaler, men vil lade axions igennem.

Selv med alle disse forbedringer, axions vil afgive et meget svagt signal. Så, radioens tuning skal være utrolig skarp - det svarer til en bilradio, der kan registrere stationer adskilt med en milliontedel af en decimal. Som en del af at opnå dette niveau af følsomhed og præcision, Irwin arbejder med en ny type kvantesensor, der er i stand til at opfange magnetiske signaler, der er hundrede millioner billioner gange mindre, end hvad der produceres af en typisk køleskabsmagnet.

"Der har været et gennembrud i evnen til at kontrollere, skabe og manipulere kvantetilstande på måder, der giver os mulighed for at drage fordel af teori, der har eksisteret i mange årtier, " sagde Irwin. "Dette er nogle af de samme teknikker, som bliver brugt til at udvikle kvantecomputere. I stedet for at bruge dem til at beregne, vi kan måle ting meget mere følsomt og præcist, end vi kunne før, og de teknikker, vi bruger, vil have brede anvendelser."

De samme kvantesensorer, som forskerne bygger ind i radioen, kan også forbedre præcisionen af ​​medicinske scanningsteknikker, der måler egenskaberne af magnetiske og elektriske felter i den menneskelige krop.

Risa Wechsler, professor i fysik og i partikelfysik og astrofysik. Kredit:Holly Hernandez

Ud over tavlen

Indtil nu, forskerne har med succes bygget en prototype på størrelse med en sodavandsdåse af mørkstofradioen, der fungerer som en ekstra følsom AM-radio. De arbejder i øjeblikket på en større version, der vil være i stand til at scanne alle frekvenser af interesse med tilstrækkelig følsomhed til at måle axion mørkt stof.

"De fleste af de ideer, som vi teoretikere har, fejler, før de nogensinde når nogen vegne, så det var en stor ting at se denne skøre idé, som vi havde på en tavle, blive en fysisk ting, " sagde Graham. "Eksperimentalisterne, ligesom Kent, har stadig meget arbejde foran dem, men for mig, det føles som kulminationen på så mange års arbejde. Dark Matter Radio bliver ægte. Det kommer til at ske«.


Varme artikler