Søger efter skalær mørkt stof ved hjælp af kompakte mekaniske resonatorer

Forskere ved University of Delaware, University of Arizona og Haverford College har for nylig introduceret ideen om at søge efter skalært mørkt stof ved hjælp af kompakte akustiske resonatorer. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , teoretisk demonstrerer potentialet i mekaniske systemer til at søge efter mørkt stof.

"Som en teoretiker, der startede inden for optomekanik som kandidatstuderende, Jeg har ofte spekuleret på, om det er muligt at bruge nogle af de udsøgte enheder, som mine eksperimentelle kolleger udvikler som sensorer til at opdage nye fysiske fænomener, "Swati Singh, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Når jeg læste et papir om, hvordan visse typer mørkt stof kan føre til et periodisk belastningssignal, Jeg fik forbindelse til mit tidligere arbejde med at detektere gravitationsbølger fra pulsarer. Målet med vores seneste papir var at vise løftet om et meget bredere udvalg af mekaniske enheder som bordpladesensorer af mørkt stof. "

I mange år nu, teoretiske fysikere har forudsagt eksistensen af ​​partikler, der ikke udsender, reflektere eller absorbere lys, og kan derfor ikke opdages ved hjælp af traditionelle værktøjer til undersøgelse af stof. Mens mange forskere har forsøgt at opdage disse partikler, kendt som mørkt stof, deres præcise natur er stadig ukendt.

"Selvom vi ikke ved, hvad mørkt stof er, vi kan forenkle søgningen ved at fokusere på teoretisk motiverede partikler, "Jack Manley, en anden forsker involveret i den nylige undersøgelse, fortalte Phys.org. "Vi har valgt at søge efter 'ultralet' mørkt stof:partikler, der i teorien er lettere end neutrinoer."

Forskere antager, at ultralet mørkt stof er ekstremt let, lettere end neutrinoer. Hvis der eksisterede sådanne partikler af mørkt stof, deres tæthed ville være så stor, at de bedre ville blive betragtet som en væske, der gennemsyrer galaksen, producerer en bølgelignende forstyrrelse på normalt stof.

"Den ultralette mørke stofhypotese er motiveret af strengteoretiske scenarier, og desuden, kan forklare nogle forvirrende uoverensstemmelser mellem forudsigelserne om mere prosaiske mørke molekyler og fordelingen af ​​mørkt stof på galaktiske skalaer, "Daniel Grin, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org.

I deres undersøgelse, Singh, Manley, Grin og deres kolleger søgte efter en bestemt type partikel, der får atomer til at svinge, kaldet skalær mørkt stof. Denne svingning ville være lille for et enkelt atom, alligevel kan den forstærkes i objekter sammensat af flere atomer. Objekter, der naturligt vibrerer synkront med denne svingning, kan forstærke effekten endnu mere, ligner et musikinstrument.

"Et centralt element i vores arbejde er at identificere en klasse af mekaniske objekter, der vibrerer ved frekvensen af ​​ultralet mørkt stof og frembringer en meget ren resonans, "Dalziel Wilson, en anden forsker, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi foreslår at lytte til disse enheder i en meget stille, kryogene miljø, bruge lys som en slags mikrofon. "

Forskerne ønsker at bruge akustiske kompakte resonatorer fremstillet af superflydende helium eller enkeltkrystal -materialer til at søge efter skalare kandidater til mørkt stof. Deres teoretiske forudsigelser tyder på, at disse resonatorer kunne få adgang til et bredt segment af tidligere uprøvet parameterrum.

Samlet set, den nylige undersøgelse foretaget af Singh, Manley, Grin, Wilson og deres kolleger fremhæver potentialet i state-of-the-art mekaniske systemer i cm-skalaen til at detektere mørkt stof i tidligere uudforskede regimer, med individuelle partikelmasser fra 10 ^-48 kg til 10 ^-42 kg. I fremtiden, disse resonatorer kunne således spille en afgørende rolle i søgen efter mørkt stof, især det i ultra-let-regimet.

"Ved at indlede samarbejde mellem kvanteoptik og højenergifysikfællesskaber (som vi gjorde ved at involvere partikelfysikeren Daniel Grin), vi kan udvikle en bedre gensidig forståelse af motivationen for og begrænsningerne for nye detektorer for mørkt stof, "Sagde Singh.

Mørke fotoner, partikler, der antages at matematisk ligner fotoner, er en af ​​de mest populære vektorkandidater for mørkt stof. Selvom disse partikler aldrig er blevet observeret før, der er nu en betydelig mængde teori om dem.

I deres fremtidige studier, forskerne vil gerne bruge kompakte resonatorer til at søge efter mørke fotoner. Deres indledende beregninger tyder på, at disse mekaniske enheder kunne sætte nye grænser for, hvor stærkt mørke fotoner ville koble sig til normalt stof, men dette kan kun bekræftes af eksperimentelle undersøgelser.

"Vi er i øjeblikket ved at designe et eksperiment for at søge efter vektor mørkt stof, som kobler sig til positionen frem for atomernes størrelse, "Sagde Wilson." En simpel snor eller tromllignende mekanisk resonator ville være følsom over for denne form for rystelser. Interessant nok, bestræbelser på at måle den kvantiserede bevægelse af cm-skala nanostringe og membraner, inden for hulrums optomekanik, kunne allerede sætte nye begrænsninger for eksistensen af ​​sådan mørkt stof. "

© 2020 Science X Network