BASE åbner nye muligheder for søgen efter koldt mørkt stof

Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) på CERN's Antimatter Factory har sat nye grænser for eksistensen af ​​aksionlignende partikler, og hvor let dem i et snævert masseområde omkring 2,97 neV kunne blive til fotoner, lyspartiklerne. BASEs nye resultat, udgivet af Fysisk gennemgangsbreve , beskriver denne banebrydende metode og åbner nye eksperimentelle muligheder i søgen efter koldt mørkt stof.

Axioner, eller aksionlignende partikler, er kandidater til koldt mørkt stof. Fra astrofysiske observationer, vi mener, at omkring 27% af materie-energiindholdet i universet består af mørkt stof. Disse ukendte partikler mærker tyngdekraften, men de reagerer næppe på de andre grundlæggende kræfter, hvis de overhovedet oplever dem. Den bedst accepterede teori om grundlæggende kræfter og partikler, kaldet standardmodellen for partikelfysik, indeholder ikke partikler, der har de rigtige egenskaber til at være koldt mørkt stof. Resultatet rapporteret af BASE undersøger denne hypotetiske mørke stof-baggrund, der findes i hele universet.

Da standardmodellen efterlader mange spørgsmål ubesvarede, fysikere har foreslået teorier, der går ud over det, hvoraf nogle forklarer arten af ​​mørkt stof. Blandt sådanne teorier er dem, der antyder eksistensen af ​​aksioner eller aksionlignende partikler. Disse teorier skal testes, og mange eksperimenter er blevet oprettet rundt om i verden for at lede efter disse partikler, herunder på CERN. For første gang, BASE har vendt værktøjerne udviklet til at detektere enkelte antiprotoner, antimatterækvivalenten af ​​en proton, til søgen efter mørkt stof. Dette er især vigtigt, da BASE ikke var designet til sådanne undersøgelser.

"BASE har ekstremt følsomme detektionssystemer til at studere egenskaberne af enkeltfangede antiprotoner. Disse detektorer kan også bruges til at søge efter signaler fra andre partikler end dem, der produceres af antiprotoner i fælder. I dette arbejde kan vi brugte en af ​​vores detektorer som en antenne til at søge efter en ny type aksionlignende partikler, "siger Jack Devlin, en CERN -stipendiat, der arbejder på eksperimentet.

Sammenlignet med de store detektorer installeret i Large Hadron Collider, BASE er et lille eksperiment. Det er forbundet til CERNs Antiproton Decelerator, som forsyner den med antiprotoner. BASE fanger og suspenderer disse partikler i en Penning -fælde, en enhed, der kombinerer elektriske og stærke magnetfelter. For at undgå kollisioner med almindeligt stof, fælden drives ved 5 kelvin (omkring -268 grader Celsius), en temperatur, hvor ekstremt lave tryk ligner dem i dybt rum, er nået. I dette ekstremt godt isolerede miljø, skyer af fangede antiprotoner kan eksistere i årevis ad gangen. Ved omhyggeligt at justere de elektriske felter, fysikerne på BASE kan isolere individuelle antiprotoner og flytte dem til en separat del af eksperimentet. I denne region, meget følsomme superledende resonansdetektorer kan opfange de bittesmå elektriske strømme, der genereres af enkelte antiprotoner, når de bevæger sig rundt i fælden.

I arbejdet udgivet af Fysisk gennemgangsbreve , BASE -teamet ledte efter uventede elektriske signaler i deres følsomme antiproton -detektorer. I hjertet af hver detektor er en lille, cirka 4 cm i diameter, doughnut-formet spole af superledende wire, som ligner de induktorer, du ofte finder i almindelig elektronik. Imidlertid, BASE -detektorerne er superledende og har næsten ingen elektrisk modstand, og alle de omgivende komponenter er omhyggeligt udvalgt, så de ikke forårsager elektriske tab. Dette gør BASE -detektorerne ekstremt følsomme over for små elektriske felter. Detektorerne er placeret i Penning -fældens stærke magnetfelt; aksioner fra baggrunden i mørkt stof ville interagere med dette magnetfelt og blive til fotoner, som derefter kan detekteres.

Fysikere brugte antiprotonen som en kvantesensor til at kalibrere baggrundsstøj på deres detektor. De begyndte derefter at søge efter smalle frekvenssignaturer, der ikke var i overensstemmelse med detektorstøj, dog svag, som kunne antyde dem, der induceres af aksionlignende partikler og deres mulige interaktioner med fotoner. Der blev ikke fundet noget ved de registrerede frekvenser, hvilket betyder, at det lykkedes BASE at sætte nye øvre grænser for de mulige interaktioner mellem fotoner og aksionlignende partikler med bestemte masser.

Med denne undersøgelse, BASE åbner muligheder for andre Penning trap -eksperimenter til at deltage i søgen efter mørkt stof. Da BASE ikke var bygget til at lede efter disse signaler, flere ændringer kunne foretages for at øge eksperimentets følsomhed og båndbredde og forbedre sandsynligheden for at finde en aksionlignende partikel i fremtiden.

"Med denne nye teknik, vi har kombineret to tidligere ikke-relaterede grene af eksperimentel fysik:aksionfysik og højpræcision Penning trap-fysik. Vores laboratorieforsøg supplerer astrofysikeksperimenter og er særligt følsomt i området med lav aksionmasse. Med et specialbygget instrument ville vi være i stand til at udvide landskabet af aksionsøgninger ved hjælp af Penning trap-teknikker, ”siger BASE -talsmand Stefan Ulmer.