Forskere foreslår at genbruge bordpladesensorer til at søge efter mørkt stof

Forskere er sikre på, at mørkt stof eksisterer. Endnu, efter mere end 50 års søgen, de har stadig ingen direkte beviser for det mystiske stof.

University of Delawares Swati Singh er blandt en lille gruppe forskere på tværs af mørkt stofsamfundet, der er begyndt at spekulere på, om de leder efter den rigtige type mørkt stof.

"Hvad nu hvis mørkt stof er meget lettere end hvad traditionelle partikelfysiske eksperimenter leder efter?" sagde Singh, en adjunkt i el- og computerteknik ved UD.

Nu, Singh, Jack Manley, en UD ph.d.-studerende, og samarbejdspartnere ved University of Arizona og Haverford College har foreslået en ny måde at lede efter de partikler, der kan udgøre mørkt stof ved at genbruge eksisterende bordpladesensorteknologi. Holdet rapporterede for nylig deres tilgang i et papir offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve .

Medforfattere på papiret inkluderer Dalziel Wilson, en assisterende professor i optiske videnskaber fra Arizona, Mitul Dey Chowdhury, en doktorand i Arizona, og Daniel Grin, en adjunkt i fysik ved Haverford College.

Ingen almindelig sag

Singh forklarede, at hvis man lægger alle de ting sammen, der udsender lys, såsom stjerner, planeter og interstellar gas, det tegner sig kun for omkring 15% af stoffet i universet. De øvrige 85% er kendt som mørkt stof. Den udsender ikke lys, men forskere ved, at den eksisterer på grund af dens tyngdekraftseffekter. De ved også, at det ikke er en almindelig sag, såsom gas, støv, stjerner, planeter og os.

"Det kunne være lavet af sorte huller, eller det kunne bestå af noget billioner af gange mindre end en elektron, kendt som ultralet mørkt stof, "sagde Singh, en kvanteteoretiker kendt for sin banebrydende indsats for at skubbe mekanisk påvisning af mørkt stof fremad.

En mulighed er, at mørkt stof består af mørke fotoner, en type mørkt stof, der ville udøve en svag oscillerende kraft på normalt stof, får en partikel til at bevæge sig frem og tilbage. Imidlertid, da mørkt stof er overalt, den udøver den kraft på alt, gør det svært at måle denne bevægelse.

Singh og hendes samarbejdspartnere sagde, at de tror, ​​de kan overvinde denne forhindring ved at bruge optomekaniske accelerometre som sensorer til at detektere og forstærke denne svingning.

"Hvis kraften er materialeafhængig, ved at bruge to genstande, der er sammensat af forskellige materialer, vil mængden, som de tvinges, være forskellig, hvilket betyder, at du ville være i stand til at måle forskellen i acceleration mellem de to materialer, "sagde Manley, papirets hovedforfatter.

Wilson, en kvanteeksperimentalist og en af ​​UD -teamets samarbejdspartnere, lignede et optomekanisk accelerometer med en miniaturestemmegaffel. "Det er en vibrerende enhed, som på grund af sin lille størrelse, er meget følsom over for forstyrrelser fra omgivelserne, " han sagde.

Nu, forskerne har foreslået et eksperiment med en membran lavet af siliciumnitrid og et fast berylliumspejl til at kaste lys mellem de to overflader. Hvis afstanden mellem de to materialer ændres, forskerne ville vide af det reflekterede lys, at mørke fotoner var til stede, fordi siliciumnitrid og beryllium har forskellige materialegenskaber.

Samarbejde var en central del af udviklingen af ​​eksperimentets design, ifølge Manley. Han og Singh (teoretikere) arbejdede sammen med Wilson og Dey Chowdhury (eksperimentalister) på de teoretiske beregninger, der gik ind i den detaljerede plan for at bygge deres foreslåede bordaccelerometersensor. I mellemtiden Grin, en kosmolog, hjalp med at kaste lys over de partikelfysiske aspekter af ultralet mørkt stof, som hvorfor det ville være ultralet, hvorfor det kan kobles til materialer anderledes, og hvordan det kan produceres.

Som teoretiker, Manley sagde, at muligheden for at lære mere om, hvordan enheder fungerer, og hvordan eksperimenter bygger ting for at bevise de teorier, som han og Singh udvikler, har uddybet hans ekspertise og samtidig udvidet hans eksponering for mulige karriereveje.

Et voksende arbejde

Vigtigt, dette seneste arbejde bygger på tidligere offentliggjort forskning fra de samarbejdende teams, rapporterede sidste sommer i Fysiske anmeldelsesbreve . Papiret, som inkluderede bidrag fra tidligere UD-kandidatstuderende Russell Stump, viste, at adskillige eksisterende enheder i laboratorieskala på kort sigt er følsomme nok til at opdage, eller udelukke, mulige partikler, der kunne være ultralet mørkt stof.

Forskningen rapporterede, at visse typer af ultralet mørkt stof ville forbinde, eller par, med normalt stof på en måde, der ville forårsage en periodisk ændring i atomernes størrelse. Mens små udsving i størrelsen af ​​et enkelt atom kan være svære at bemærke, effekten forstærkes i et objekt, der består af mange atomer, og yderligere forstærkning kan opnås, hvis dette objekt er en akustisk resonator. Samarbejdet evaluerede ydeevnen for flere resonatorer fremstillet af forskellige materialer lige fra superflydende helium til enkeltkrystallinsk safir, og fandt disse sensorer kan bruges til at detektere det mørke stof-inducerede belastningssignal.

Begge projekter blev delvist støttet gennem Singhs finansiering fra National Science Foundation til at udforske nye ideer omkring brug af avancerede kvanteenheder til at opdage astrofysiske fænomener med bordpladeteknologier, der er mindre og billigere end andre metoder.

Sammen, Singh sagde, disse papirer udvider arbejdet med, hvad man ved om mulige måder at opdage mørkt stof på og foreslår muligheden for en ny generation af bord-top eksperimenter.

Singh og Manley arbejder med andre eksperimentelle grupper, også, at udvikle yderligere bordpladesensorer til at lede efter sådant mørkt stof eller andre svage astrofysiske signaler. De dyrker også aktivt bredere diskussioner om dette emne inden for mørkt stof og kvantesensorsamfund.

For eksempel, Singh diskuterede for nylig transformationsinstrumenteringsfremskridt inden for partikelfysikdetektorer på en virtuel workshop arrangeret af Department of Energy's Coordinating Panel for Advanced Detectors (CPAD). Hun præsenterede også disse resultater på en særlig workshop under American Physical Society's aprilmøde.

"Det er en spændende tid, og jeg lærer meget af de spørgsmål, forskere fra forskellige baggrunde stiller ved sådanne workshops, " sagde Singh. "Men det er værd at bemærke, at mine mest originale forskningsideer stadig kommer ud af spørgsmål stillet af nysgerrige studerende."