En ny søgning efter axion mørkt stof udelukker tidligere numeriske forudsigelser

ADMX-samarbejdet, en gruppe forskere, der arbejder på universiteter i USA og Europa, har for nylig udført en ny søgning efter usynligt axion mørkt stof ved hjælp af et hulrumshaloskop og en støjsvag Josephson parametrisk forstærker. Kavitetshaloskoper er følsomme instrumenter designet til at detektere og studere haloer omkring lysende kroppe eller andre fysiske fænomener. Josephson parametriske forstærkere, på den anden side, er teknologiske værktøjer, der kan bruges til at manipulere kvantetilstande i mikrobølgelysfelter.

I deres seneste papir, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , forskerne søgte efter mørkt stof-aksioner i den galaktiske halo med en masse på mellem 2,81-3,31  μeV. Resultaterne af denne søgning kunne hjælpe med at udelukke tidligere teoretiske forudsigelser, informerer den fremtidige søgen efter usynlig axion mørkt stof.

"Vores seneste søgning var motiveret af to forskellige mysterier i fysik, som begge ville blive løst med påvisning af axion mørkt stof, "Nick Du, forsker ved University of Washington og medforfatter til det nylige papir, fortalte Phys.org. "Den første af disse er mysteriet med mørkt stof."

Tidligere fysikundersøgelser har fundet bevis for, at det, vi normalt opfatter som stof, kun udgør cirka 15 % af universets samlede masse. De resterende 85% menes at være sammensat af partikler, der ikke absorberer, udsender eller reflekterer lys, og kan derfor ikke detekteres ved hjælp af traditionelle teknikker til at studere stof.

Dette ikke-lysende materiale, kendt som mørkt stof, forbliver et af de største mysterier i moderne fysik, da forskere stadig er i tvivl om, hvorvidt den eksisterer, og hvad den er lavet af. Mens der nu har været utallige søgninger efter mørkt stof ved hjælp af en række forskellige instrumenter, dette mystiske materiale er hidtil aldrig blevet observeret eller opdaget.

"En mulig løsning på, hvad mørkt stof kunne være, kommer fra et andet fysikfelt, nemlig kernefysik, i form af et andet mysterium kendt som Strong CP-problemet, " Du forklarede. "En populær løsning på Strong CP-problemet forudsiger eksistensen af ​​en ny partikel kendt som axion, og aksionens egenskaber gør den til en overbevisende kandidat til mørkt stof. Når man ser mørkt stof ud, ADMX-samarbejdet håber at løse både Strong CP-problemet og mysteriet om mørkt stofs natur. "

Kavitetshaloskopet brugt af Du og hans kolleger består af et resonanshulrum placeret inde i et stort magnetfelt. Ifølge teoretiske forudsigelser, aksioner af mørkt stof i den galaktiske halo bør kobles til magnetfeltet i hulrummet og producere fotoner.

Antallet af producerede fotoner vil sandsynligvis være meget lille, hvilket gør det resulterende signal meget svært at opdage. Ved at indstille resonanshulrummet inde i axionhaloskopet til den samme frekvens som fotonerne, imidlertid, antallet af fotoner produceret af den galaktiske halo kan øges.

"På en måde, vores søgen efter axion mørkt stof ligner meget, hvordan en radio fungerer, " sagde Du. "Når frekvensen af ​​en radio er indstillet, man kan samle op på forskellige radiostationer. I den henseende, vores eksperiment ligner hinanden, bortset fra at vi ikke kender frekvensen af ​​vores radiostation, og signalet er meget svagere. "

Søgningen efter aksioner af mørkt stof har været i gang i flere årtier nu, og Du og hans kolleger har allerede udført en række sådanne søgninger ved hjælp af deres hulrumshaloskop. Mens de hidtil ikke var i stand til at opdage usynlige aksioner, resultaterne af deres nylige eksperiment udelukker en række aksionsmasser, som tidligere var forudsagt af benchmarkteoretiske modeller af axion mørkt stof.

"Dette er faktisk anden gang, vores eksperiment har opnået denne følsomhed over for axion mørkt stof, men denne gang, vi har tredoblet det interval, vi dækkede i vores tidligere undersøgelse, "Du sagde." Ved at opnå og udvide denne følsomhed, vi har vist, at i den fortsatte søgen efter axion mørkt stof, ADMX repræsenterer et af de bedste håb for at finde det."

Observationerne indsamlet af Du og hans kolleger kunne informere fremtidige søgninger efter mørkt stof-aksioner, samtidig med at det banede vejen for nye teoretiske forudsigelser. Forskerne er nu i gang med en ny søgning efter axion mørkt stof ved højere frekvenser. Hvis denne søgning også mislykkes, de planlægger at fortsætte med at søge efter usynlige aksioner ved endnu større frekvenser.

"Ved højere frekvenser, axion mørkt stof bliver sværere at opdage, fordi de konventionelle hulrum, vi ville bruge, ikke længere er så følsomme over for aksioner, " sagde Du. "Men vi har allerede nogle interessante prototyper på plads for at komme uden om dette, såsom eksperimenter, der bruger et array med flere hulrum til at søge for at fjerne mørkt stof."

© 2020 Science X Network