På udkig efter usynligt aksion mørkt stof med et nyt flercellet hulrumshaloskop

I løbet af de sidste årtier har mange eksperimentelle fysikere har undersøgt eksistensen af ​​partikler kaldet axioner, som ville skyldes en bestemt mekanisme, som de tror kunne forklare modsætningen mellem teorier og eksperimenter, der beskriver en grundlæggende symmetri. Denne symmetri er forbundet med en ubalance mellem materie-antimateriale i universet, afspejles i interaktioner mellem forskellige partikler.

Hvis denne mekanisme fandt sted i det tidlige univers, en sådan partikel kan have en meget lille masse og være 'usynlig'. forskere foreslog, at aksionen også kunne være en lovende kandidat til mørkt stof, en undvigende, hypotetisk type stof, der ikke udsender, reflektere eller absorbere lys.

Selvom mørkt stof endnu ikke er blevet eksperimentelt observeret, det menes at udgøre 85% af universets masse. Opdagelse af aksioner kan have vigtige konsekvenser for igangværende eksperimenter i mørkt stof, da det kunne forbedre den nuværende forståelse af disse undvigende partikler.

Forskere ved Institute for Basic Science (IBS) har for nylig foretaget en søgning efter usynligt aksion mørkt stof ved hjælp af et flercellet hulrumshaloskop, som de har designet (dvs. et instrument til at observere glorier, parhelia, og andre lignende fysiske fænomener). Deres resultater sammenlignede sig positivt med resultaterne fra tidligere haloskopbaserede axionsøgninger i mørkt stof, fremhæver potentialet i det instrument, de skabte til både søgninger efter mørkt stof og anden fysikforskning.

"Axionen kan påvises i form af en mikrobølge -foton, som den omdannes til i nærvær af et stærkt magnetfelt, "SungWoo Youn, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Et hulrumshaloskop, typisk anvender en cylindrisk resonator placeret i en solenoid til at udnytte resonans til at forstærke signalet, er den mest følsomme tilgang til at undersøge de veletablerede teoretiske modeller. "

Selvom hulrumshaloskoper kunne være lovende værktøjer til påvisning af aksioner, de er generelt meget følsomme over for relativt lave frekvenser. Dette skyldes hovedsageligt, at resonansfrekvenser er omvendt proportionale med hulrummets radius, hvilket reducerer registreringsvolumen for højfrekvente søgninger.

Dette er en af ​​grundene til, at den mest følsomme aksionsøgning, der er foretaget hidtil, nemlig Axion Dark Matter eXperiment (ADMC) af University of Washington, sæt eksperimentelle grænser under 1 GHz. En af de mulige måder at undgå dette volumen tab ville være at samle mange mindre hulrum sammen og kombinere individuelle signaler, for at sikre, at alle frekvenser og faser er synkroniseret.

"Dette system med flere hulrum er blevet foreslået tidligere, men er ikke blevet behandlet med succes, på grund af virkninger på pålideligheden og øget kompleksitet af systemets drift, "Sagde Youn." Vores team på Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) ved IBS, placeret ved Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) i Sydkorea, ledet af mig selv, udviklede således et nyt hulrumsdesign, såkaldt flercellet hulrum. "

Kavitetshaloskopet designet af Youn og hans kolleger er kendetegnet ved flere partitioner, der lodret opdeler volumenet af dets hulrum i identiske celler. Dette unikke design øger resonansfrekvenser med et minimalt tab i volumen. Forskerne sikrede også, at skillevægge i midten af ​​hulrummet er adskilt af et hul.

"Ved at gøre alle cellerne rumligt forbundet, vores design gør det muligt for en enkelt antenne at opfange signalet fra hele lydstyrken og dermed forenkler strukturen af ​​modtagerkæden betydeligt, "Forklarede Youn." Det optimale mellemrum gør det også muligt at fordele det aksioninducerede signal jævnt over rummet, som maksimerer det effektive volumen uanset bearbejdningstolerance og mekanisk fejltilpasning i hulrumskonstruktion. Jeg kaldte dette hulrumsdesign 'pizza cavity' og sammenlignede hullet med en pizza -opsparer, som holder skiverne intakte med sine originale toppings. "

Haloskopet, som forskerne brugte til at udføre deres eksperiment, er resultatet af cirka to års forskning baseret på simuleringer, efterfulgt af fremstilling af talrige prototyper. I deres seneste undersøgelse, det blev brugt til at udføre en søgning efter axion mørkt stof ved hjælp af en 9T-superledende magnet ved en temperatur på 2 kelvin (-271 ° C). Dette gjorde det muligt for forskerne hurtigt at scanne et frekvensområde på> 200 MHz over 3 GHz, hvilket er 4 ~ 5 gange højere end det, der er omfattet af ADMX -eksperimentet.

"Selvom vi ikke har observeret noget aksionlignende signal, vi demonstrerede med succes, at flercellets hulrum ville være i stand til at detektere højfrekvente signaler med høj ydeevne og pålidelighed, "Sagde Youn." Vi har også beregnet, at på grund af den større volumen og højere effektivitet, dette nye hulrumsdesign kan sætte os i stand til at udforske det givne frekvensområde 4 gange hurtigere end det konventionelle. Jeg kommer ofte med en humoristisk, men meningsfuld erklæring:"Hvis et traditionelt eksperiment tager 4 år at undersøge noget, vores eksperiment tager kun 1 år. Vores ph.d. studerende kan gradueres meget hurtigere end andre. '"

Undersøgelsen udført af Youn og hans kolleger beviser værdien og potentialet af det pizza-hulrums-haloskop, de udviklede til at foretage usynlige mørke stofsøgninger i højfrekvente områder. I fremtiden, det kunne således hjælpe med at søge efter denne undvigende type stof og en dag måske endda muliggøre dets opdagelse.

"I øjeblikket, vores center forbereder sig også på eksperimenter ved at podede flere pizzahulrum på de eksisterende systemer for at søge efter endnu højere frekvenser aksioner, "Tilføjede Youn.

© 2020 Science X Network