Undersøgelse sætter nye begrænsninger for mørke fotoner ved hjælp af et nyt dielektrisk optisk haloskop

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST), Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Perimeter Institute satte for nylig nye begrænsninger på mørke fotoner, som er hypotetiske partikler og kendte kandidater til mørkt stof. Deres resultater, præsenteret i et papir offentliggjort i Physical Review Letters , blev opnået ved hjælp af en ny superledende nanowire single-photon detector (SNPD), de udviklede.

"Der er et tæt samarbejde mellem vores forskningsgrupper på NIST og MIT, drevet af henholdsvis Dr. Sae Woo Nam og Prof. Karl Berggren," siger Jeff Chiles, en af ​​forskerne, der har udført undersøgelsen, til Phys.org. "Vi arbejder sammen om at fremme teknologien og applikationerne til ultrafølsomme enheder kaldet superledende nanotråds-enkeltfoton-detektorer eller SNSPD'er."

I løbet af de sidste par år har Chiles og hans kolleger overvejet potentielle applikationer, der ville drage fordel af de SNSPD-detektorer, de har arbejdet på, som praktisk talt ikke har nogen baggrundsstøj blandt andre fordelagtige egenskaber. De blev til sidst introduceret til en gruppe teoretiske fysikere fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Canada.

Dette team af teoretikere havde en interessant idé til en detektor for mørkt stof, der kunne fungere i et helt andet domæne end dem, der i øjeblikket er ansat i søgninger efter mørkt stof. Denne detektor, nemlig et flerlags dielektrisk optisk haloskop, var et meget lovende koncept, men det ville kræve en optisk detektor, der kunne yde langt bedre end dem på markedet i dag.

"Dette viste sig at være det perfekte match, da MIT- og NIST-grupperne kunne bygge detektoren og apparatet og teste det," forklarede Chiles. "Så vi slog os sammen og kaldte vores projekt LAMPOST (Light A' Multilayer Periodic Optical SNSPD Target). Vores mål var at opnå det første eksperimentelle proof-of-concept for denne idé og bevise, at den kunne bruges til at søge efter mørkt stof med bedre følsomhed end de allerede fastsatte grænser."

Den optiske detektor udviklet af Chiles og hans kolleger er baseret på en struktur kendt som en dielektrisk stak eller mål. Denne struktur kan generere signalfotoner af interesse ved at konvertere en ikke-relativistisk mørk foton til en relativistisk foton med samme frekvens.

"Først udførte vi analyse af konstruktionen af ​​apparatet, optiske simuleringer for at bestemme den optiske indsamlingseffektivitet, simulering af detektionseffektiviteten, beregning af polarisationens indflydelse på det mørke stof-signal og den minimale signaleffekt, der er kompatibel med den evt. række målegenskaber," fortalte Ilya Charaev, en anden forsker involveret i undersøgelsen, til Phys.org. "Ved brug af SNSPD-teknikken blev alle indgående signaler registreret over en 180-timers eksponering."

For at sætte en grænse for koblingen af ​​mørkt stof estimerede forskerne mørketællerhastigheden, også kaldet "støj" for den SNSPD-detektor, de udviklede. Interessant nok er deres estimerede støjværdi den laveste blandt alle værdier rapporteret i fysiklitteraturen.

"Det lykkedes os især med vores mål, da vi var i stand til at scanne for en type mørkt stof, specifikt 'mørke fotoner', dobbelt så følsomt som noget andet i det energiområde, vi søgte," sagde Chiles. "I den store sammenhæng er dette stadig et lille hak ud af en enorm række af muligheder for mørkt stof. Men for vores første løb at overskride eksisterende grænser er et vigtigt første skridt, og for mig taler dette til kraften og enkelheden af ​​den flerlagede dielektriske optiske haloskoptilgang."

I deres eksperimenter indsamlede dette team af forskere værdifuld indsigt, der kunne informere fremtidige søgninger efter mørke fotoner, samtidig med at de potentielt opmuntrede brugen af ​​SNSPD'er. Ud over at sætte nye begrænsninger på mørke fotoner, lærte Chiles og hans kolleger faktisk mere om deres detektors muligheder.

Mest bemærkelsesværdigt fandt de ud af, at støjen i deres detektor var utrolig lav. Mere specifikt observerede holdet kun 5 "falske hændelser" for en af ​​deres enkeltfoton-detektorer over 180 timers dataindsamling, hvilket tyder på, at deres teknologi er meget følsom over for svage signaler.

"Det er spændende at tænke på, hvilke andre fysiske eksperimenter med sjældne begivenheder denne teknologi kan anvendes til i den nærmeste fremtid," tilføjede Chiles. "I mellemtiden planlægger vi at opskalere eksperimentet herfra. Den første kørsel var et proof-of-concept, men den næste vil være følsom nok til at dække et stort parameterrum for mørkt stof, som vil omfatte både aksioner og mørke fotoner ." + Udforsk yderligere

Gravitationsbølgedetektorer til at søge efter mørkt stof

© 2022 Science X Network