BREAD Collaboration søger efter mørke fotoner ved hjælp af en koaksial parabolantenne

Cirka 80 % af stoffet i universet forudsiges at være såkaldt "mørkt stof", som ikke udsender, reflekterer eller absorberer lys og derfor ikke kan detekteres direkte ved hjælp af konventionelle eksperimentelle teknikker.

Mens eksistensen af ​​mørkt stof nu er veldokumenteret, forsøger astrofysikere verden over stadig at udtænke effektive metoder til at opdage det og bekræfte dets sammensætning.

Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD), et nyligt etableret forskningsprojekt drevet af fysikere ved University of Chicago og Fermi Accelerator Laboratory, introducerede en ny tilgang til at søge efter lys mørkt stof kandidater, herunder mørke fotoner og axioner.

Metoden foreslået af BREAD Collaboration, skitseret i et papir offentliggjort i Physical Review Letters , indebærer brugen af ​​en koaksial parabolantenne til at opfange signaler, der ville være forbundet med disse partikler.

"Vi ved, at der er en form for stof omkring os, som kun interagerer meget svagt og ikke udstråler, men vi ved ikke, hvad det er lavet af," siger Stefan Knirck, tilsvarende forfatter for BREAD Collaboration, til Phys.org.

"Der har været en stor indsats for at søge efter nye fundamentale partikler med en masse der ligner en proton i løbet af de sidste par årtier, men med ringe succes. Derfor vender vi os til andre meget velmotiverede kandidater:den mørke foton og axionen. "

Mørke fotoner og aksioner er teoretiseret til at være cirka 1 billion gange lettere end protoner, så deres påvisning ville kræve meget forskellige teknologier. Mens BREAD-samarbejdet stadig er i sin vorden, introducerede det en ny teknologi designet til at søge efter disse lettere partikler. Formålet med den nylige undersøgelse foretaget af Knirck og hans kolleger var at begynde at teste denne teknologi i et indledende forsøg i lille skala.

"Idéen bag vores arbejde er, at hvis axion (eller i tilfælde af dette papir, mørk foton) mørkt stof eksisterer, kan det konvertere til partikler af lys (fotoner) på en metallisk væg," forklarede Knirck. "Fotonerne udsendes vinkelret på væggen.

"I BRØD svarer den ydre cylinder til denne væg. Alt dette lys fokuseres derefter på et lille sted, hvor du kan sætte en lysdetektor eller antenne for at søge efter et signal. I BRØD er kombinationen af ​​den indre dråbeformede reflektor og den ydre cylinder sørger for fokuseringen."

For at gøre opstillingen følsom over for axion mørkt stof, kunne BRØD-samarbejdet også tilføje et magnetfelt, der er parallelt med den metalliske væg i en fremtidig version af eksperimentet. En unik egenskab ved den nye detektor er, at den kan passe i meget store (m-skala) højfelts (multi-Tesla) magneter.

"I dette første eksperiment fokuserede vi på at detektere 'lys' i mikrobølgeregimet, svarende til de mikrobølger, der bruges, når du opvarmer mad derhjemme," sagde Knirck. "Til dette formål designede vi en brugerdefineret mikrobølgeantenne ved fokuspunktet og et meget følsomt skema til at se de mindste kræfter modtaget af antennen. Dette gav gavn for den førende kvanteelektronikudvikling, der er i gang hos Fermilab."

BREAD Collaboration indsamlede deres første runde af data sidste sommer, specifikt mellem juni og juli 2023. De data, de indsamlede, inkluderer den termiske støj, der opfanges af antennen i denne periode, og noget ekstra støj fra forstærkning.

"Inden for denne støj ville et signal være et lille overskud, som vi søgte efter i vores analyse," sagde Knirck. "Dette svarer til at dreje på frekvensknappen på en radio:Hvis der ikke er nogen station på en given frekvens, hører du støj, men når du langsomt indstiller den til en station, kan du høre signalet fra stationen, der begynder at dominere over støjen ."

Det nylige papir udgivet af Knirck og hans samarbejdspartnere skitserer resultaterne af deres første søgning efter mørke fotoner ved hjælp af denne nye detektor. Selvom de ikke opfangede noget relevant signal, blev deres eksperiment fundet at være omkring 10.000 gange mere følsomt over for den mørke fotons signalstyrke inden for en masse, der spænder fra 44 til 52  μeV (10,7-12,5 GHz) end tidligere foreslåede metoder.

"Vores arbejde viser potentialet i dette koncept og sætter os op til at skalere det op og gøre det meget mere følsomt i fremtiden," sagde Knirck. "Dette motiverer til at blive ved med at udvikle denne teknologi med meget bedre følsomhed over meget større områder af forskellige mørke stofmasser."

BREAD Collaboration håber, at deres nyudtænkte tilgang vil give dem mulighed for det
udforske de mest velmotiverede axion-modeller og potentielt føre til deres påvisning, hvilket ville være et stort gennembrud inden for partikelastrofysik.

Forskerne kører nu deres eksperiment i en 4T-magnet ved Argonne National Laboratory for at låse op for dens følsomhed over for axion-lignende mørkt stof.

"Vi bygger også flere prototyper, der kombinerer konceptet med forskellige banebrydende kvanteteknologier for at være følsomme over for enkelte lyspartikler i fokus," tilføjede Knirck. "Hos Fermilab forventer vi snart at modtage en endnu kraftigere magnet, som vil gøre vores eksperimenter meget mere følsomme.

"Det langsigtede mål er et eksperimentelt program i stor skala med en opsætning på ~10m skala inde i en enorm magnet, der gør det muligt at udforske de bedst motiverede modeller."

Flere oplysninger: Stefan Knirck et al., Første resultater fra en bredbåndssøgning efter mørkt foton mørkt stof i området 44 til 52 μeV med en koaksial parabolantenne, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.131004

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network