Eksperiment i mørkt stof finder ingen tegn på aksioner

Fysikere fra MIT og andre steder har udført den første kørsel af et nyt eksperiment for at opdage aksioner - hypotetiske partikler, der forudsiges at være blandt de letteste partikler i universet. Hvis de findes, aksioner ville være næsten usynlige, endnu uundgåelig; de kunne udgøre næsten 85 procent af universets masse, i form af mørkt stof.

Axioner er særlig usædvanlige, idet de forventes at ændre reglerne for elektricitet og magnetisme på et minutsniveau. I et papir, der blev offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve , det MIT-ledede team rapporterer, at eksperimentet i den første måneds observationer ikke opdagede tegn på aksioner inden for masseområdet 0,31 til 8,3 nanoelektronvolt. Det betyder, at aksioner inden for dette masseområde, hvilket svarer til cirka en femendedel af massen af ​​en proton, enten eksisterer de ikke, eller også har de en endnu mindre effekt på elektricitet og magnetisme end tidligere antaget.

"Det er første gang, nogen har set direkte på dette aksionsrum, "siger Lindley Winslow, hovedforsker ved eksperimentet og Jerrold R. Zacharias Karriereudviklingsassistent i fysik ved MIT. "Vi er glade for, at vi nu kan sige, 'Vi har en måde at se her, og vi ved, hvordan vi gør det bedre! '"

Winslows MIT-medforfattere omfatter hovedforfatter Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zachary Bogorad, Janet Conrad, Joseph Formaggio, Joseph Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler, og Daniel Winklehner, sammen med forskere fra otte andre institutioner.

Magnetarer og munchkins

Mens de menes at være overalt, aksioner forudsiges at være næsten spøgelseslignende, kun har små interaktioner med alt andet i universet.

"Som mørkt stof, de bør ikke påvirke din hverdag, "Winslow siger." Men de menes at påvirke tingene på et kosmologisk plan, ligesom udvidelsen af ​​universet og dannelsen af ​​galakser, vi ser på nattehimlen. "

På grund af deres interaktion med elektromagnetisme, aksioner er teoretiseret til at have en overraskende adfærd omkring magnetarer - en type neutronstjerne, der kaster et enormt stærkt magnetfelt op. Hvis aksioner er til stede, de kan udnytte magnetarens magnetfelt til at omdanne sig til radiobølger, som kan detekteres med dedikerede teleskoper på Jorden.

I 2016, en trio af MIT -teoretikere udarbejdede et tankeeksperiment for at opdage aksioner, inspireret af magnetaren. Eksperimentet blev kaldt ABRACADABRA, til A-bredbånds-/resonansmetode til kosmisk aksionsdetektion med et forstærkende B-felt ringapparat, og blev undfanget af Thaler, som er lektor i fysik og forsker i Laboratoriet for Nuclear Science og Center for Teoretisk Fysik, sammen med Benjamin Safdi, derefter en MIT Pappalardo Fellow, og tidligere kandidatstuderende Yonatan Kahn.

Teamet foreslog et design til en lille, donutformet magnet opbevaret i køleskab ved temperaturer lige over det absolutte nul. Uden aksioner, der bør ikke være noget magnetfelt i midten af ​​donuten, eller, som Winslow udtrykker det, "hvor munchkin skal være." Imidlertid, hvis der findes aksioner, en detektor skal "se" et magnetfelt i midten af ​​donuten

Efter at gruppen offentliggjorde deres teoretiske design, Winslow, en eksperimentel, gået i gang med at finde måder til rent faktisk at bygge eksperimentet.

"Vi ville lede efter et signal om en aksion, hvor, hvis vi ser det, det er virkelig aksionen, "Winslow siger." Det var det, der var elegant ved dette eksperiment. Teknisk set, hvis du så dette magnetfelt, det kunne kun være aksionen, på grund af den særlige geometri, de tænkte på. "

I det søde sted

Det er et udfordrende eksperiment, fordi det forventede signal er mindre end 20 atto-Tesla. Til reference, Jordens magnetfelt er 30 mikro-Tesla og menneskelige hjernebølger er 1 pico-Tesla. Ved opbygningen af ​​eksperimentet, Winslow og hendes kolleger måtte kæmpe med to hoveddesignudfordringer, den første involverede køleskabet, der bruges til at holde hele eksperimentet ved ultrakølede temperaturer. Køleskabet inkluderede et system med mekaniske pumper, hvis aktivitet kunne generere meget små vibrationer, som Winslow var bekymret for kunne maskere et aksionsignal.

Den anden udfordring havde at gøre med støj i miljøet, f.eks. fra nærliggende radiostationer, elektronik i hele bygningen, der tænder og slukker, og endda LED -lys på computere og elektronik, som alle kunne generere konkurrerende magnetfelter.

Teamet løste det første problem ved at hænge hele udstyret, ved hjælp af en tråd så tynd som tandtråd. Det andet problem blev løst ved en kombination af kold superledende afskærmning og varm afskærmning uden for eksperimentet.

"Så kunne vi endelig tage data, og der var en sød region, hvor vi var over køleskabets vibrationer, og under den miljømæssige støj, der sandsynligvis kommer fra vores naboer, hvor vi kunne lave eksperimentet. "

Forskerne gennemførte først en række tests for at bekræfte, at eksperimentet fungerede og viste magnetfelter nøjagtigt. Den vigtigste test var indsprøjtning af et magnetfelt for at simulere en falsk aksion, og for at se, at eksperimentets detektor frembragte det forventede signal - hvilket indikerer, at hvis en rigtig aksion interagerede med eksperimentet, det ville blive opdaget. På dette tidspunkt var forsøget klar til at gå.

"Hvis du tager dataene og kører dem gennem et lydprogram, du kan høre de lyde, som køleskabet laver, "Winslow siger." Vi ser også anden støj, der tændes og slukkes, fra nogen ved siden af ​​gør noget, og så forsvinder den støj. Og når vi ser på dette søde sted, det holder sammen, vi forstår, hvordan detektoren fungerer, og det bliver stille nok til at høre aksionerne. "

At se sværmen

I 2018, holdet gennemførte ABRACADABRAs første løb, kontinuerlig prøveudtagning mellem juli og august. Efter at have analyseret dataene fra denne periode, de fandt ingen tegn på aksioner inden for masseområdet 0,31 til 8,3 nanoelektronvolt, der ændrer elektricitet og magnetisme med mere end en del i 10 mia.

Forsøget er designet til at detektere aksioner af endnu mindre masser, ned til omkring 1 femtoelektronvolt, samt aksioner så store som 1 mikroelektronvolt.

Teamet vil fortsætte med at køre det nuværende eksperiment, som er på størrelse med en basketball, at lede efter endnu mindre og svagere aksioner. I mellemtiden, Winslow er i gang med at finde ud af, hvordan eksperimentet skal skaleres op, til størrelsen af ​​en kompakt bil - dimensioner, der kunne muliggøre påvisning af endnu svagere aksioner.

"Der er en reel mulighed for en stor opdagelse i de næste faser af forsøget, "Winslow siger." Det, der motiverer os, er muligheden for at se noget, der ville ændre feltet. Det er højrisiko, fysik med stor belønning. "