Nyt resultat trækker på 30 års forskning og udvikling og begynder den definitive søgen efter axionpartikler

For fyrre år siden, forskere teoretiserede en ny slags lavmassepartikel, der kunne løse et af naturens vedvarende mysterier:hvad mørkt stof er lavet af. Nu er et nyt kapitel i jagten på den partikel begyndt.

Denne uge, Axion Dark Matter Experiment (ADMX) afslørede et nyt resultat, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , det placerer det i en kategori af én:Det er verdens første og eneste eksperiment, der har opnået den nødvendige følsomhed til at "høre" de afslørende tegn på mørkt stofs aksioner. Dette teknologiske gennembrud er resultatet af mere end 30 års forskning og udvikling, med den seneste brik i puslespillet, der kommer i form af en kvanteaktiveret enhed, der gør det muligt for ADMX at lytte efter axions tættere end noget eksperiment, der nogensinde er bygget.

ADMX administreres af det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory og er placeret på University of Washington. Dette nye resultat, den første fra anden generation af ADMX, sætter grænser for et lille udvalg af frekvenser, hvor aksioner kan gemme sig og sætter scenen for en bredere søgning i de kommende år.

"Dette resultat signalerer starten på den sande jagt på aksioner, " sagde Fermilab videnskabsmand Andrew Sonnenschein, driftslederen for ADMX. "Hvis mørkt stof-aksioner eksisterer inden for frekvensbåndet, vil vi sondere i de næste par år, så er det kun et spørgsmål om tid, før vi finder dem«.

En teori antyder, at det mørke stof, der holder galakser sammen, kan bestå af et stort antal partikler med lav masse, som er næsten usynlige at opdage, når de strømmer gennem kosmos. Bestræbelser i 1980'erne på at finde denne partikel, kaldet aksionen af ​​teoretikeren Frank Wilczek, i øjeblikket ved Massachusetts Institute of Technology, var mislykket, viser, at deres opdagelse ville være ekstremt udfordrende.

ADMX er et axion-haloskop - i det væsentlige et stort, støjsvag radiomodtager, som videnskabsmænd tuner til forskellige frekvenser og lytter til for at finde axionsignalets frekvens. Axioner interagerer næsten aldrig med stof, men ved hjælp af et stærkt magnetfelt og en kulde, mørk, korrekt indstillet, reflekterende boks, ADMX kan "høre" fotoner, der skabes, når aksioner omdannes til elektromagnetiske bølger inde i detektoren.

"Hvis du tænker på en AM-radio, det er præcis sådan, " sagde Grey Rybka, medtalsmand for ADMX og assisterende professor ved University of Washington. "Vi har bygget en radio, der leder efter en radiostation, men vi kender ikke dens frekvens. Vi drejer langsomt på knappen, mens vi lytter. Ideelt set hører vi en tone, når frekvensen er rigtig."

Denne detektionsmetode, som måske gør den "usynlige aksion" synlig, blev opfundet af Pierre Sikivie fra University of Florida i 1983, som var forestillingen om, at galaktiske glorier kunne være lavet af aksioner. Banebrydende eksperimenter og analyser i samarbejde med Fermilab, University of Rochester og US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory, samt videnskabsmænd ved University of Florida, demonstrerede det praktiske i eksperimentet. Dette førte til konstruktionen i slutningen af ​​1990'erne af en storstilet detektor ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Livermore National Laboratory, der er grundlaget for den nuværende ADMX.

Det var først for nylig, imidlertid, at ADMX-teamet har været i stand til at implementere superledende kvanteforstærkere til deres fulde potentiale, gør det muligt for eksperimentet at nå en hidtil uset følsomhed. Tidligere kørsler af ADMX blev forhindret af baggrundsstøj genereret af termisk stråling og maskinens egen elektronik.

Det er nemt at fikse termisk strålingsstøj:Et kølesystem køler detektoren ned til 0,1 Kelvin (omtrent minus 460 grader Fahrenheit). Men at eliminere støjen fra elektronikken viste sig at være sværere. De første serier af ADMX brugte standard transistorforstærkere, men efter at have oprettet forbindelse til John Clarke, professor ved University of California, Berkeley, Clarke udviklede en kvantebegrænset forstærker til eksperimentet. Denne meget mere støjsvage teknologi, kombineret med køleenheden, reducerer støjen med et tilstrækkeligt betydeligt niveau til, at signalet, skulle ADMX opdage en, vil komme højt og tydeligt igennem.

"De første versioner af dette eksperiment, med transistor-baserede forstærkere, ville have taget hundreder af år at scanne den mest sandsynlige række af aksionsmasser. Med de nye superledende detektorer, vi kan søge i det samme område på tidsskalaer på kun et par år, " sagde Gianpaolo Carosi, medtalsmand for ADMX og videnskabsmand ved Lawrence Livermore National Laboratory.

"Dette resultat planter et flag, " sagde Leslie Rosenberg, professor ved University of Washington og chefforsker for ADMX. "Det fortæller verden, at vi har følsomheden, og har en rigtig god chance for at finde aksionen. Ingen ny teknologi er nødvendig. Vi har ikke brug for et mirakel længere, vi har bare brug for tiden."

ADMX vil nu teste millioner af frekvenser på dette niveau af følsomhed. Hvis der findes aksioner, det ville være en stor opdagelse, der ikke kun kunne forklare mørkt stof, men andre dvælende mysterier i universet. Hvis ADMX ikke finder aksioner, som kan tvinge teoretikere til at udtænke nye løsninger på disse gåder.

"En opdagelse kan komme når som helst i løbet af de næste par år, " sagde videnskabsmanden Aaron Chou fra Fermilab. "Det har været en lang vej at nå til dette punkt, men vi er ved at begynde den mest spændende tid i denne igangværende søgen efter aksioner."