ADMX -eksperimentet placerer verdens bedste begrænsninger på aksioner i mørkt stof

ADMX, med sin verdensførende følsomhed, har udelukket aksioner af et bestemt masseområde som mørkt stof.

Aksioner er en hypotetisk kandidat til det mørke stof, der udgør det meste af massen af ​​vores Mælkevejs galakse. Axion Dark Matter eXperiment leder efter "usynlige" aksioner, der kommer fra vores galakse, der konverterer til påviselige lyspartikler, kaldet fotoner, inden for eksperimentets kraftfulde magnetfelt.

"Når du leder efter en ny partikel som en aksion, du udforsker interaktioner, der resulterer i kendte partikler, som fotoner, "sagde Rakshya Khatiwada, Fermilab forskningsassistent, der har ledet udviklingen af ​​støjsvag detektor til ADMX i de sidste fire år.

Fermilab er det førende DOE -laboratorium for ADMX, som er vært for University of Washington. Fermilab er finansieret af Department of Energy Office of Science.

Inde i ADMX, en superledende magnet genererer et magnetfelt, der ville forvandle uopdagelige aksioner til fotoner. Inden for dette felt sidder en detektor, der kan indstilles til forskellige frekvenser svarende til signaler fra aksioner af forskellige masser, der kommer fra glorie af mørkt stof i Mælkevejen, ligner, hvordan en radio stiller ind på en radiostation.

Hvis du kunne strække en lineal fra den ene ende af den synlige Mælkevej til den anden, det ville måle omkring 100, 000 lysår på tværs, hvilket betyder, at det ville tage lys - det hurtigste i universet - så mange år at rejse fra den ene ende til den anden. For perspektiv, det tager kun otte minutter at rejse fra solen til Jorden.

Men den faktiske størrelse af vores galakse kan være endnu større end det.

Forskere mener, at en sfærisk sky af mørkt stof - en glorie i mørkt stof - omslutter næsten alle galakser. Dette galaktiske mørke stof ville være tættest i midten af ​​galaksen, med faldende densitet, når man bevæger sig udad. Jorden er omkring 25, 000 lysår fra centrum af Mælkevejen, så fysikere kan forudsige, hvad den lokale tæthed af mørkt stof skal være.

Eksistensen af ​​mørkt stof blev først foreslået i 1933 baseret på bevægelsen af ​​Coma -galaksehoben. Forskeren Fritz Zwicky beregnede, at givet den måde, hvorpå galakser nær klyngens kant bevægede sig, klyngen skulle have haft langt mere masse, end der var blevet observeret. For at tage højde for den tilsyneladende mangel på tilstrækkelig masse, han foreslog, at noget ekstra stof - mørkt stof - skulle være på arbejde. Beviset for mørkt stof er siden hobet op, men forskere mangler endnu at opdage byggestenene for dette usynlige stof i laboratoriet.

Udfordringen med at finde mørkt stof er, at det meget sjældent interagerer med almindeligt stof. Til sammenligning, tag neutrinoen - en kendt partikel, der engang blev antaget at være en kandidat til det mørke stof. Neutrinoer er berømte for deres meget svage interaktioner - omkring 100 milliarder passerer hvert tommelfingerspids hvert sekund. De sejler gennem dig uden dig, eller din krop, nogensinde bemærker. Og stadigvæk, forskere fandt ud af, hvordan man bygger eksperimenter til at opdage neutrinoer. Det faktum, at vi stadig ikke har opdaget mørkt stof, betyder, at deres interaktioner er endnu svagere, og at vi har brug for endnu mere følsomme eksperimenter for at opdage dem.

Hvis fundet, aksioner ville også løse en anden fysik-gåde:det stærke ladningsparitetsproblem.

I 1977, fysikerne Helen Quinn og Roberto Peccei foreslog en ny model for at forklare, hvorfor de stærke interaktioner ikke krænker symmetri mellem ladningsparitet (CP). Kort derefter, to andre fysikere (og senere nobelprisvindere) Frank Wilczek og Steven Weinberg indså, at Peccei og Quinns model forudsagde eksistensen af ​​en ny partikel, aksionen, og det blev senere indset, at aksioner kunne være det mørke stof. Det stærke CP -problem er komplekst, men det har i det væsentlige det samme problem, som astrofysik har uden mørkt stof:Teori og observation, vedrørende standardmodellen for fysik, matcher ikke. Som med mørkt stof, denne gåde betyder, at der er noget, forskere endnu ikke helt har forstået om naturen.

Muligheden for at besvare to store fysiske spørgsmål på én gang gør aksioner populære partikler at søge efter.

I 2017, ADMX opererede med den højeste følsomhed af ethvert aksionforsøg til dato. Derved, det udelukkede en række mulige aksionsmasser.

Nu offentliggjorde ADMX -samarbejdet sine seneste resultater baseret på data taget i 2018. De nye resultater udelukker endnu et masseinterval, fire gange bredere end den første, samtidig med at den bevarer den samme grad af ekstraordinær følsomhed.

"Dette resultat er så godt, som det bliver for aksioner i masseområdet, ADMX er følsomt over for, "Sagde Khatiwada." Hvilket er utrolig værdifuldt, fordi vi siger, med en større grad af sikkerhed end nogensinde før, at aksioner ikke findes der. "

Videnskabelige opdagelser, især af partikler, der meget sjældent interagerer med stof, stole på denne udluftningsproces. Higgs boson, for eksempel, blev opdaget af LHC i 2012, næsten 50 år efter, at det først blev foreslået. Uden både CERN's Large Electron-Positron Collider og Fermilabs Tevatron-begrænsninger på, hvilke masser der var mulige for den undvigende partikel, LHC -eksperimenterne ville ikke have vidst præcis, hvor de skulle lede. Uden at sætte begrænsninger, det er stort set umuligt at tage hul på nyt, svagt interagerende partikler.

Med begge resultater, ADMX har udelukket muligheden for, at aksioner eksisterer med en masse mellem 2,66 og 3,33 milliontedele af en elektronvolt i energi. Til sammenligning, elektronens masse er 511, 000 elektronvolt.

Med flere data og dens suveræne følsomhed, ADMX vil være i stand til at opdage, om der findes aksioner eller udelukke dem over et meget bredere spektrum af masser.

ADMX vil starte endnu en datatagning i år for at undersøge intervallet over 3,33 milliontedele af en elektronvolt. Og det vil kun øge sin følsomhed over for aksioner med nye og kommende fremskridt med at reducere baggrundsstøj.

"Det er surrealistisk at hjælpe med at bygge og drive et eksperiment, der er enestående i verden, "sagde Khatiwada." Det er virkelig givende at se alle fra kandidatstuderende og postdocs til forskere og professors hårde arbejde betale sig. "