GALILEO:Forskere foreslår en ny metode til at søge efter lyst mørkt stof

Ny forskning i Physical Review Letters (PRL ) har foreslået en ny metode til at detektere lys mørkt stof kandidater ved hjælp af laser interferometri til at måle de oscillerende elektriske felter genereret af disse kandidater.

Mørkt stof er en af ​​de mest presserende udfordringer i moderne fysik, hvor mørkt stof partikler er uhåndgribelige og svære at opdage. Dette har fået videnskabsmænd til at komme med nye og innovative måder at lede efter disse partikler på.

Der er flere kandidater til mørkt stof partikler, såsom WIMPs, lyse mørkt stof partikler (axioner) og den hypotetiske gravitino. Lyst mørkt stof, herunder bosoniske partikler som QCD (quantum chromo dynamics) aksionen, er blevet et interessepunkt i de senere år.

Disse partikler har typisk undertrykte interaktioner med standardmodellen, hvilket gør dem udfordrende at opdage. Men at kende deres karakteristika, herunder deres bølgelignende adfærd og sammenhængende natur på galaktiske skalaer, hjælper med at designe mere effektive eksperimenter.

I den nye PRL undersøgelse har forskere fra University of Maryland og Johns Hopkins University foreslået Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics eller GALILEO, en ny tilgang til at detektere både axion og mørk foton mørkt stof over et bredt masseområde.

Ledende forsker Reza Ebadi, en kandidatstuderende ved Quantum Technology Center (QTC) ved University of Maryland, talte til Phys.org om forskningen og deres motivation for at udvikle denne nye tilgang, "Selvom standardmodellen giver vellykkede forklaringer på fænomener, der spænder vidt. fra subnukleare afstande til universets størrelse, det er ikke en fuldstændig forklaring på naturen."

"Den formår ikke at redegøre for kosmologiske observationer, hvorfra eksistensen af ​​mørkt stof udledes. Vi stræber efter at få indsigt i de fysiske teorier, der opererer på galaktiske skalaer ved hjælp af små laboratorieeksperimenter."

Axioner og aksionlignende partikler

Aksioner og aksionlignende partikler blev oprindeligt foreslået for at løse problemer i partikelfysik, såsom stærk ladningsparitet (CP) problem. Dette problem opstår fra den observation, at den stærke kraft ikke ser ud til at udvise en bestemt type symmetriovertrædelse, kaldet CP-overtrædelse, så meget som teorien forudsiger, den burde.

Denne teoretiske ramme giver naturligt anledning til aksionlignende partikler, som har samme egenskaber som aksioner, hvor begge er bosoner.

Aksioner og aksionlignende partikler forudsiges at have meget lave masser, typisk lige fra mikroelektronvolt til millielektronvolt. Dette gør dem til egnede kandidater til lyst mørkt stof, da de kan udvise bølgelignende adfærd på galaktiske skalaer.

Ud over deres lave masse interagerer aksioner og aksionlignende partikler meget svagt med almindeligt stof, hvilket gør dem vanskelige at detektere ved hjælp af konventionelle metoder.

Dette er nogle af grundene til, at forskerne har valgt at detektere disse partikler i deres forsøgsopstilling. Metoden afhænger dog af oscillerende elektriske felter produceret af disse partikler.

I områder med betydelig tæthed af mørkt stof kan axioner og ALP'er gennemgå sammenhængende svingninger. Disse sammenhængende svingninger kan give anledning til detekterbare signaler, såsom oscillerende elektriske felter, som det foreslåede GALILEO-eksperiment har til formål at måle.

GALILEO

"Kandidater af lyst mørkt stof opfører sig som bølger i solområdet. Sådanne mørkt stofbølger forventes at inducere meget svage oscillerende elektriske felter med magnetiske felter på grund af deres minimale interaktioner med elektromagnetisme."

"Vi fokuserede på detektionen af ​​det elektriske felt frem for det magnetiske felt, som er målsignalet i de fleste aktuelle og foreslåede eksperimenter," forklarede Ebadi.

Lyst mørkt stof-inducerede elektriske felter kan detekteres ved hjælp af elektro-optiske materialer, hvor det eksterne elektriske felt modificerer materialets egenskaber, såsom brydningsindeks.

GALILEO bruger et asymmetrisk Michelson-interferometer, en enhed, der kan måle ændringerne i brydningsindekset. Den ene arm på interferometeret indeholder det elektro-optiske materiale.

Når en sondelaserstråle opdeles og sendes gennem interferometerets to arme, introducerer armen, der indeholder det elektro-optiske materiale, et variabelt brydningsindeks. Denne ændring i brydningsindekset påvirker laserstrålens fase, hvilket resulterer i et oscillerende signal, når strålerne slås sammen igen.

Ved at måle den differentielle fasehastighed mellem interferometerets to arme kan GALILEO detektere frekvensen af ​​oscillation induceret af lyst mørkt stof. Dette oscillerende signal tjener som signatur for tilstedeværelsen af ​​mørkt stof partikler.

Metodens følsomhed kan øges ved at inkorporere Fabry-Perot-hulrum (som øger længden af ​​interferometerarmen, hvilket giver mulighed for større præcision) og tage gentagne uafhængige målinger.

Laserinterferometri og implementering af GALILEO

Forskningen er afhængig af præcisionsmålinger ved laserinterferometri.

Ebadi forklarede, "Et godt eksempel på, hvordan laserinterferometre kan bruges til præcisionsmålinger, er LIGO, den jordbaserede gravitationsbølgedetektor."

"Vores forslag bruger lignende teknologiske fremskridt som LIGO, såsom Fabry-Perot-hulrum eller klemt lys for at undertrykke kvantestøjgrænsen. Men i modsætning til LIGO er det foreslåede GALILEO-interferometer en enhed i bordpladeskala."

Selvom arbejdet er teoretisk, har forskerne allerede planer om at implementere forsøgsprogrammet trin for trin.

Det er vigtigt, at de ønsker at bestemme de tekniske parametre, der kræves for en optimeret eksperimentel opsætning, som de planlægger at bruge til at udføre videnskabelige eksperimenter for at søge efter lyst mørkt stof.

Derudover fremhæver Ebadi vigtigheden af ​​at betjene højfinesse Fabry-Perot-hulrum sammen med elektro-optisk materiale i hulrummet, såvel som at karakterisere støjbudgettet og opsætningssystemet, som er afgørende aspekter af den eksperimentelle proces.

"GALILEO har potentialet til at være en væsentlig komponent i den større mission med at udforske det enorme teoretisk levedygtige rum af mørkt stof-kandidater," konkluderede Ebadi.

Flere oplysninger: Reza Ebadi et al., GALILEO:Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101001.

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network