Søg efter usynlig axion mørkt stof med et hulrum med flere celler

På trods af sin forsvindende lille masse, eksistensen af ​​aksionen, en gang bevist, kan pege på ny fysik ud over Standardmodellen. Teoretiseret for at forklare et grundlæggende symmetriproblem i den stærke kernekraft, der er forbundet med stof-antistof-ubalancen i vores univers, denne hypotetiske partikel gør også en attraktiv mørkt stof kandidat. Selvom aksioner ville eksistere i stort nok antal til at kunne redegøre for den "manglende" masse fra universet, søgen efter dette mørke stof har hidtil været ret udfordrende.

Forskere mener, at når en aksion interagerer med et magnetfelt, dens energi ville blive omdannet til en foton. Den resulterende foton forventes at være et sted i mikrobølgefrekvensområdet. I håb om at ramme det rigtige match til aksionen, eksperimentalister bruger en mikrobølgedetektor, et hulrumshaloskop. At have en cylindrisk resonator placeret i en solenoide, det magnetiske felt, der fylder hulrummet, forstærker signalet. Haloskopet giver også forskere mulighed for løbende at justere resonansfrekvensen af ​​hulrummet. Imidlertid, det mest følsomme axion-søgning eksperiment, Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) ved University of Washington har søgt i lavfrekvente områder, under 1 GHz, da scanning af højere frekvensområder kræver en mindre hulrumsradius, resulterer i betydeligt volumentab og dermed mindre signal. (Figur 1-(2))

Et forskerhold, ledet af Dr. YOUN SungWoo ved Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) i Institute for Basic Science (IBS) i Sydkorea, har udviklet et nyt flercellet hulrumsdesign, døbt "pizza hulrum". Ligesom pizzaer skæres i flere skiver, flere skillevægge opdeler hulrumsvolumenet lodret i identiske stykker (celler). Med næsten ingen lydstyrke at tabe, dette flercellede haloskop muliggør det meningsfulde output af højfrekvent regionsscanning. (Figur 1-(5)). Selvom der var bestræbelser på at bundte mindre hulrum sammen og kombinere individuelle signaler med alle hulrummene indstillet på samme frekvens, dens komplicerede opsætning og ikke-trivielle frekvenstilpasningsmekanisme har været flaskehalse. (Figur 1-(3)). "Pizzahulhaloskopet har en enklere detektoropsætning og en unik fasetilpasningsmekanisme samt et større detektionsvolumen sammenlignet med det konventionelle multi-hulrumsdesign, " bemærker Dr. YOUN SungWoo, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Forskerne beviste, at flercellehulrummet var i stand til at detektere højfrekvente signaler med forbedret effektivitet og pålidelighed. I et eksperiment med en 9T-superledende magnet ved en temperatur på 2 kelvin (-271 °C), holdet scannede hurtigt et frekvensområde på> 200 MHz over 3 GHz, hvilket er 4 ~ 5 gange højere område end ADMX, hvilket giver højere følsomhed over for teoretiske modeller end de tidligere resultater lavet af andre eksperimenter. Også dette nye hulrumsdesign gjorde det muligt for forskerne at udforske et givet frekvensområde fire gange hurtigere end et konventionelt eksperiment kunne. "At få tingene gjort fire gange hurtigere." Dr. Youn tilføjer i spøg, "Ved at bruge dette flercellede hulrumsdesign, vores ph.d. studerende skal være i stand til at opgradere hurtigere end dem i andre laboratorier."

Det, der gør dette flercellede design nemt at betjene, er afstanden mellem skillevægge i midten. At have alle celler rumligt forbundet, en enkelt antenne opfanger signalet fra hele lydstyrken. "Som en pizzasparer holder pizzaskiver intakte med sine originale toppings, mellemrummet hjælper cellerne med at klare opgaven, " siger Dr. Youn. Den enkelte antenne giver også forskere mulighed for at vurdere, om de axion-inducerede elektromagnetiske felter er jævnt fordelt i hele hulrummet, hvilket er fundet afgørende for at opnå det maksimale effektive volumen. "Stadig, unøjagtigheden og fejljusteringen i hulrumskonstruktionen kunne hæmme følsomheden. For det, dette flercellede design gør det muligt at aflaste det ved at justere størrelsen af ​​mellemrummet i midten, efterlader intet volumen at gå til spilde, " forklarer Dr. Youn.

Den toårige omfattende indsats fra forskerholdet resulterede i et optimalt design til længe søgt eftersøgning af axion mørkt stof i højfrekvente områder. Holdet overvejer at inkorporere flere multicelle-hulrum i de eksisterende systemer hos CAPP for at udvide axion-søgebåndet til højere frekvensområder end i øjeblikket udforsket.