Første højfølsomme mørke stofaksionjagtresultater fra Sydkorea

Forskere ved Center for Axion og Precision Physics Research (CAPP), inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), har rapporteret de første resultater af deres søgning efter aksioner, undvigende, ultralette partikler, der betragtes som kandidater til mørkt stof. IBS-CAPP er placeret på Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , analysen kombinerer data taget over tre måneder med et nyt aksionjagtapparat udviklet i løbet af de sidste to år.

At bevise eksistensen af ​​aksioner kunne løse to af de største mysterier i moderne fysik på én gang:Hvorfor galakser, der kredser inden for galaksehobe, bevæger sig langt hurtigere end forventet, og hvorfor to grundlæggende naturkræfter følger forskellige symmetri -regler. Den første gåde blev rejst tilbage i 1930'erne, og blev bekræftet i 1970'erne, da astronomer bemærkede, at den observerede masse i Mælkevejen ikke kunne forklare den stærke tyngdekraft, som stjernerne i galakserne oplevede. Den anden gåde, kendt som det stærke CP -problem, blev kaldt af magasinet Forbes som "det mest undervurderede puslespil i hele fysikken" i 2019.

Symmetri er et vigtigt element i partikelfysik og CP refererer til Charge+Parity symmetrien, hvor fysikkens love er de samme, hvis partikler udskiftes med deres tilsvarende antipartikler (C) i deres spejlbilleder (P). I tilfælde af den stærke kraft, som er ansvarlig for at holde kerner sammen, CP -overtrædelse er teoretisk tilladt, men er aldrig blevet opdaget, selv i de mest følsomme forsøg. På den anden side, CP -symmetri krænkes både teoretisk og eksperimentelt i den svage kraft, som ligger til grund for nogle former for radioaktivt henfald. I 1977, teoretiske fysikere Roberto Peccei og Helen Quinn foreslog Peccei-Quinn-symmetrien som en teoretisk løsning på dette problem, og to nobelpristagere i fysik, Frank Wilczek og Steven Weinberg, viste, at Peccei-Quinn-symmetrien resulterer i en ny partikel:aksionen. Partiklen blev opkaldt efter et amerikansk vaskemiddel, fordi det skulle rense det stærke interaktions rod.

I øjeblikket, det anslås, at 85% af materien i universet består af mørkt stof, som er umærkelig. Mørkt stof giver nok masse til at forhindre solen i at forlade Mælkevejen, men det er ikke synligt under almindelige forhold. Med andre ord, aksioner forventes at være til stede i store mængder i universet, men knap nok interagere med de partikler, som vi kender.

Ifølge forudsigelserne og Fermis gyldne regel, en aksion omdannes spontant til to påviselige partikler (fotoner) med en ekstremt lav hastighed, og denne konvertering kan være hurtigere i et miljø, hvor en af ​​fotonerne allerede er til stede. I forsøg, denne rolle spilles af et stærkt magnetfelt, som giver fotoner af alle energiniveauer (praktisk talt), fremskynde processen enormt.

For at lette axion-til-foton konvertering, IBS-forskere brugte deres specialfremstillede CAPP-8TB haloskop. Dette instrument har en cylinderformet superledende magnet med en klar boring på 165 mm og et centralt magnetfelt på 8 Tesla. Signalet fra de aksion-affødte fotoner forstærkes i et resonant hulrum. Hvis den rigtige frekvens vælges, fotoner ville resonere i hulrummet og markere deres tilstedeværelse med et lille blitz. Teamet skulle registrere omkring 100 mikrobølgefotoner i sekundet for at afgive en sikker erklæring.

"Dette eksperiment er ikke en 100 meter sprint, men det første mål i et maratonløb. Vi lærte ved at gøre, og vi testede nye koncepter, der skal bruges på systemer på højere niveau i fremtiden, "forklarer Yannis K. Semertzidis, direktøren for centret og også en professor i KAIST.

I dette eksperimentelle løb, holdet søgte aksioner med en masse mellem 6,62 og 6,82 μeV, svarende til frekvensen mellem 1,6 og 1,65 GHz, et område, der blev valgt ved kvantekromodynamik. Forskerne viste eksperimentelt med et 90% konfidensniveau, det mest følsomme resultat i masseområdet til dato, at der ikke er noget axion mørkt stof eller aksionlignende partikel inden for dette område. På denne måde, CAPP-8TB indtager sin plads blandt andre aksionjagtforsøg, der ser på forskellige mulige masser. I øvrigt, dette er det eneste eksperiment ved dette masseområde, der når tæt på den følsomhed, der kræves ifølge de to mest berømte teoretiske modeller om aksioner:KSVZ -modellen og DFSZ -modellen. Brevene er forkortelser, der refererer til de forskere, der foreslog dem.

"Vi beviste, at vi kan nå meget bedre følsomhed end alle andre eksperimenter i det frekvensområde, og at vi er klar til at skalere vores forskning med større systemer. Vi sigter mod at være i toppen af ​​vores felt i de næste 10 år. Derfor er det derfor det er så spændende, "siger Research Engineering Fellow Soohyung Lee, undersøgelsens første forfatter.

Masseområdet bestemmes af hulrummets diameter. En større diameter kan søge i en region med lavere masse og omvendt. Da CAPP-8TB's resonanshulrum er placeret inde i den superledende magnets klare boring, IBS -forskere designede et afstemeligt cylindrisk kobberhulrum som en resonator med den maksimale tilgængelige volumen.

Ud over hulrummet, CAPP-8TB haloskopet kan prale af en række banebrydende teknologier, herunder et kryogent fortyndings -køleskab, der når –273 grader Celsius (cirka 50 mK over det absolutte nul), en superledende magnet med et stærkt magnetfelt, støjsvag mikrobølgeelektronik og topmoderne forstærkere.

Planen er at lede efter aksioner, der tuner haloskopet med en frekvens på 1 til 10 GHz, og senere på 10 til 25 GHz ved hjælp af en mere kraftfuld magnet med stor volumen, implementere alle deres opfindelser. Søgningen efter aksioner fortsætter nonstop.