Første magnet installeret til ALPS II -eksperimentet på DESY

Det internationale ALPS II ("Any light particle search") samarbejde installerede den første af 24 superledende magneter i dag, markerer starten på installationen af ​​et unikt partikelfysisk eksperiment for at lede efter mørkt stof. Beliggende på det tyske forskningscenter DESY i Hamborg, det er indstillet til at begynde at tage data i 2021 ved at lede efter mørke stofpartikler, der bogstaveligt talt får lys til at skinne gennem en væg, giver dermed spor til et af de største spørgsmål i fysik i dag:hvad er mørkt stofs natur?

”Det er meget spændende at se det projekt, som mange af os har arbejdet på i så mange år, endelig tage form i tunnelen, "ALPS-II-talsmand Axel Linder fra DESY sagde." Når installationen og idriftsættelsen forløber som planlagt, vil vi kunne starte søgningen i første halvdel af 2021. "

Mørkt stof er et af de største mysterier i fysik. Observationer og beregninger af stjerners bevægelse i galakser, for eksempel, viser, at der må være mere stof i universet, end vi kan redegøre for med stofpartikler, vi kender i dag. Faktisk, mørkt stof skal udgøre 85 % af alt stof i universet. Imidlertid, i øjeblikket ved vi ikke, hvad det er. Men vi ved, at det ikke interagerer med almindeligt stof og i det væsentlige er usynligt, så det kaldes "mørkt".

Der er flere teorier, der forsøger at forklare arten af ​​mørkt stof og de partikler, det kan bestå af. En af disse teorier siger, at mørkt stof består af meget lette partikler med meget specifikke egenskaber. Et eksempel er aksionen, der oprindeligt blev postuleret for at forklare aspekter af den stærke interaktion, en af ​​naturens grundlæggende kræfter. Der er også forvirrende astrofysiske observationer såsom uoverensstemmelser i udviklingen af ​​stjernesystemer, hvilket også kan forklares ved eksistensen af ​​aksioner eller aksionlignende partikler.

Det er her ALPS II kommer ind. Den er designet til at oprette og detektere disse aksioner. Et stærkt magnetfelt kan få aksioner til at skifte til fotoner og omvendt. "Denne bizarre ejendom blev allerede udnyttet i det første ALPS I -eksperiment, som vi kørte fra 2007 til 2010. På trods af sin begrænsede størrelse, den opnåede verdens bedste følsomheder for denne slags eksperimenter, "sagde Benno Willke, lederen af ​​ALPS og laserudviklingsgruppen ved Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) og ved Institute for Gravitational Physics ved Leibniz Universität i Hannover.

ALPS II bliver oprettet i et lige tunnelsnit af DESYs tidligere partikelfysiske accelerator HERA. Fireogtyve superledende acceleratormagneter, tolv på hver side af en væg, huser to 120 meter lange optiske hulrum. Et kraftfuldt og indviklet lasersystem producerer lys, der forstærkes af hulrummet inde i magnetfeltet og vil, til en meget lille brøkdel, omdannes til partikler i mørkt stof. En lysblokerende barriere-en væg-adskiller det andet rum i ALPS II, men denne væg er ingen hindring for aksioner og lignende partikler, der let kan passere igennem den. I det andet hulrum ville partikler af mørkt stof konvertere tilbage til lys. Det lille signal vil blive opsamlet af dedikerede detektionssystemer.

De mere end 1, 000 gange forbedret følsomhed for ALPS II er muliggjort af magnetstrengenes øgede længde, men også af betydelige fremskridt inden for optiske teknologier. "Disse fremskridt kom fra arbejdet med gravitationsbølgeinterferometre som GEO600 og LIGO, og pænt vise, hvordan teknologiske fremskridt på et område muliggør fremskridt på andre, "sagde medordfører Guido Mueller fra University of Florida i Gainesville.

ALPS II er også et eksempel på genbrug i forskning:det genbruger ikke kun en tunnelstrækning, der engang husede DESYs flagskibspartikelaccelerator, men det genbruger også selve magneterne, der drev protoner rundt i ringen frem til 2007. Disse magneter skulle genudvikles for at passe til ALPS -formålene:den lille bøjning, der var nødvendig i en acceleratorring, skulle fjernes for at tillade fotoner at forplante sig gennem dem.

ALPS II -samarbejdet består af omkring 25 forskere fra disse institutter:DESY, Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) og Institute for Gravitational Physics ved Leibniz Universität i Hannover, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, University of Florida i Gainesville, og Cardiff University. Udover det, samarbejdet understøttes af partnere verden over som National Metrology Institute (PTB) i Tyskland og National Institute of Standards and Technology i USA. Eksperimentet er hovedsageligt finansieret af DESY, Heising-Simons Foundation, US National Science Foundation, den tyske Volkswagen Stiftung og German Research Foundation (DFG).

På DESY, ALPS II er måske bare det første eksperiment inden for en ny strategisk tilgang til at tackle mørkt stof. "Internationale samarbejder forbereder IAXO -eksperimentet på at søge efter aksioner udsendt af solen samt MADMAX -detektoren, som vil lede direkte efter aksioner som bestanddele af det lokale mørke stof, der omgiver os ", forklarede Joachim Mnich, DESYs direktør for partikelfysik.