Ny forskning bruger koaksial parabolantenne til at scanne for mørkt stof

Et af de store mysterier i moderne videnskab er mørkt stof. Vi ved, at mørkt stof eksisterer takket være dets virkninger på andre objekter i kosmos, men vi har aldrig været i stand til at se det direkte. Og det er ikke en lille ting – i øjeblikket tror videnskabsmænd, at det udgør omkring 85 % af al massen i universet.

Et nyt eksperiment udført af et samarbejde ledet af University of Chicago og Fermi National Accelerator Laboratory, kendt som Broadband Reflector Experiment for Axion Detection eller BREAD, har offentliggjort sine første resultater i søgningen efter mørkt stof i en undersøgelse offentliggjort i Physical Gennemgå breve . Selvom de ikke fandt mørkt stof, indsnævrede de begrænsningerne for, hvor det kunne være, og demonstrerede en unik tilgang, der kan fremskynde søgningen efter det mystiske stof med relativt lidt plads og omkostninger.

"Vi er meget spændte på, hvad vi har været i stand til at gøre indtil nu," sagde UChicago Assoc. Prof. David Miller, medleder for eksperimentet sammen med Fermilabs Andrew Sonnenschein, som oprindeligt udviklede konceptet til eksperimentet. "Der er masser af praktiske fordele ved dette design, og vi har allerede vist den bedste følsomhed til dato i denne 11-12 gigahertz frekvens."

"Dette resultat er en milepæl for vores koncept, der for første gang demonstrerer kraften i vores tilgang," sagde Fermilab postdoc og studielederforfatter Stefan Knirck, der stod i spidsen for konstruktionen og driften af ​​detektoren. "Det er fantastisk at lave denne form for kreativ videnskab på bordplader, hvor et lille team kan gøre alt fra at bygge eksperimentet til dataanalyse, men stadig have en stor indflydelse på moderne partikelfysik."

'Der er noget'

Når vi ser rundt i universet, kan vi se, at en eller anden form for stof udøver nok tyngdekraft til at trække på stjerner og galakser og lys, men intet teleskop eller apparat har nogensinde direkte opfanget kilden - deraf navnet "mørk stof".

Men fordi ingen nogensinde har set mørkt stof, ved vi ikke engang præcis, hvordan det kan se ud, eller endda præcist, hvor vi skal lede efter det. "Vi er meget sikre på, at noget er der, men der er mange, mange former, det kan tage," sagde Miller.

Forskere har kortlagt flere af de mest sandsynlige muligheder for steder og former at se. Typisk har tilgangen været at bygge detektorer til meget grundigt at søge i et specifikt område (i dette tilfælde et sæt af frekvenser) for at udelukke det.

Men et team af forskere udforskede en anden tilgang. Deres design er "bredbånd", hvilket betyder, at det kan søge efter et større sæt af muligheder, omend med lidt mindre præcision.

"Hvis du tænker på det som en radio, er søgningen efter mørkt stof som at indstille skiven for at søge efter en bestemt radiostation, bortset fra at der er en million frekvenser at tjekke igennem," sagde Miller. "Vores metode er som at lave en scanning af 100.000 radiostationer i stedet for nogle få meget grundigt."

Et proof of concept

BREAD-detektoren søger efter en specifik undergruppe af muligheder. Den er bygget til at lede efter mørkt stof i form af det, der er kendt som "aksioner" eller "mørke fotoner" - partikler med ekstremt små masser, der kan omdannes til en synlig foton under de rette omstændigheder.

BREAD består således af et metalrør, der indeholder en buet overflade, der fanger og leder potentielle fotoner til en sensor i den ene ende. Det hele er lille nok til at passe dine arme rundt, hvilket er usædvanligt for denne type eksperimenter. I fuldskalaversionen vil BRØD blive aflejret inde i en magnet for at generere et stærkt magnetfelt, som øger chancerne for at omdanne mørkt stof partikler til fotoner.

For principbeviset kørte holdet dog forsøget uden magneter. Samarbejdet kørte prototypen på UChicago i omkring en måned og analyserede dataene.

Resultaterne er meget lovende og viser meget høj følsomhed i den valgte frekvens, sagde forskerne.

Siden resultaterne offentliggjort i Physical Review Letters blev accepteret, BREAD er blevet flyttet ind i en genbrugt MR-magnet på Argonne National Laboratory og tager flere data. Dets eventuelle hjem, på Fermi National Accelerator Laboratory, vil bruge en endnu stærkere magnet.

"Dette er kun det første skridt i en række spændende eksperimenter, vi planlægger," sagde Sonnenschein. "Vi har mange ideer til at forbedre følsomheden af ​​vores axionsøgning."

"Der er stadig så mange åbne spørgsmål i videnskaben, og et enormt rum for kreative nye ideer til at tackle disse spørgsmål," sagde Miller. "Jeg synes, dette er et virkelig kendetegnende eksempel på den slags kreative ideer - i dette tilfælde virkningsfulde, samarbejdspartnerskaber mellem mindre videnskab på universiteter og større videnskab på nationale laboratorier."

BREAD-instrumentet blev bygget hos Fermilab som en del af laboratoriets detektor-F&U-program og blev derefter betjent på UChicago, hvor dataene til denne undersøgelse blev indsamlet. UChicago Ph.D.-studerende Gabe Hoshino ledede driften af ​​detektoren sammen med de studerende Alex Lapuente og Mira Littmann.

Argonne National Laboratory vedligeholder en magnetfacilitet, der vil blive brugt til næste fase af BREAD-fysikprogrammet. Andre institutioner, herunder SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Illinois Institute of Technology, MIT, Jet Propulsion Laboratory, University of Washington, Caltech og University of Illinois i Urbana-Champaign, arbejder med UChicago og Fermilab om R&D til fremtidige versioner af eksperimentet.

Flere oplysninger: Stefan Knirck et al., Første resultater fra en bredbåndssøgning efter mørkt foton mørkt stof i området 44 til 52 μeV med en koaksial parabolantenne, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.131004

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af University of Chicago