Ett team av forskare vid Stanford University är på uppdrag att identifiera mörk materia en gång för alla. Men först, de kommer att behöva bygga världens känsligaste radio.

"Mörk materia är det mesta av materia i vårt universum. Vi vet inte vad det är men vi vet att det finns där eftersom vi kan se dess gravitationseffekter, " förklarade Peter Graham, en docent i fysik vid Stanfords School of Humanities and Sciences och en av ledarna för detta sökande efter mörk materia. "Vi vet också att den måste vara gjord av en helt annan partikel med andra egenskaper än något vi någonsin har hittat."

Graham och Savas Dimopoulos, Hamamoto familjeprofessor i fysik vid Stanford, har utvecklat teorier om mörk materia som förespråkar högprecisionsexperiment inriktade på att hitta axioner, teoretiserade partiklar som är bland de mest troliga kandidaterna för mörk materia. Deras teorier - en gång ansågs vara "intressanta men där ute, " enligt Graham-vinner popularitet eftersom andra kandidater för mörk materia utesluts och nya teknologier gör deras krävande experiment möjliga. Nu har Gordon och Betty Moore Foundation beviljat Stanford-forskare cirka 2,5 miljoner dollar för att prototypa en ny typ av sensor för mörk materia .

Guidad av Graham och Dimopoulos teorier, Kent Irwin, professor i fysik, av partikelfysik och astrofysik och fotonvetenskap vid Stanford och SLAC National Accelerator Laboratory, bygger Dark Matter Radio, som kommer att söka efter axionssignalen på samma sätt som en vanlig AM-radio tar upp en sändning. Som en AM-radiostation, axion mörk materia har en exakt frekvens, men denna frekvens är okänd. På grund av framsteg inom kvantsensorer, radion kommer att vara mycket känsligare än tidigare experiment med mörk materia, och kan skanna en stor sträng av de frekvenser som med största sannolikhet avslöjar axioner.

"Detta projekt är ett riktigt vackert exempel på människor med väldigt olika expertis som går samman för att lösa ett svårt problem, sa Risa Wechsler, föreståndare för Kavli-institutet för partikelastrofysik och kosmologi (KIPAC) och professor i fysik och i partikelfysik och astrofysik. "Mörk materia är 85 procent av massan i universum och jag tror att det är mycket osannolikt att vi skulle existera utan den. Det spännande med det här experimentet är att det öppnar upp så mycket upptäcktsutrymme som tidigare var otillgängligt."

Även om forskarna inte hittar axionen, deras arbete skulle ha utmärkelsen att söka en betydande del av dess möjliga frekvensområde. Forskarna är också spännande att se hur deras sensorutveckling kommer att bidra till spinoff-applikationer inom olika områden.

The Dark Matter Radio

Mörk materia utgör det mesta av massan i universum, men varje axion antas ha en så låg massa – som faller i kategorin ultralätt mörk materia – att den kan spridas ut över kilometer. Kvantmekanik, som är studien av beteendet hos extremt små partiklar, hävdar att varje partikel också beter sig som en våg. Så, om axioner existerar, de skvalpar runt omkring oss som en radiosignal. Dark Matter Radio-teamet kommer att söka efter frekvensen som bär signalen från de vågliknande vågorna i denna ocean av överlappande axioner.

Det första tricket är att omvandla axionvågor till radiovågor – utförda av ett starkt magnetfält inuti Dark Matter Radio. Dark Matter Radio är också omgiven av en supraledande sköld av niob som blockerar vanliga radiosignaler, men kommer att släppa igenom axions.

Även med alla dessa förbättringar, axioner kommer att avge en mycket svag signal. Så, radions inställning måste vara otroligt skarp – motsvarigheten till en bilradio som kan upptäcka stationer åtskilda med en miljondels decimal. Som en del av att uppnå denna nivå av känslighet och precision, Irwin arbetar med en ny typ av kvantsensor som kan ta upp magnetiska signaler hundra miljoner biljoner gånger mindre än vad som produceras av en typisk kylskåpsmagnet.

"Det har skett ett genombrott i förmågan att kontrollera, skapa och manipulera kvanttillstånd på sätt som gör att vi kan dra nytta av teorier som har funnits i många decennier, ", sa Irwin. "Detta är några av samma tekniker som används för att utveckla kvantdatorer. Istället för att använda dem för att beräkna, vi kan mäta saker mycket mer känsligt och exakt än vi kunde tidigare, och de tekniker vi använder kommer att ha breda tillämpningar."

Samma kvantsensorer som forskarna bygger in i radion kan också förbättra precisionen hos medicinska scanningstekniker som mäter egenskaperna hos magnetiska och elektriska fält i människokroppen.

Bortom whiteboardtavlan

Än så länge, forskarna har framgångsrikt byggt en prototyp i läskburkstorlek av radion med mörk materia som fungerar som en extra känslig AM-radio. De arbetar för närvarande på en större version som kommer att kunna skanna alla intressanta frekvenser med tillräcklig känslighet för att mäta axion mörk materia.

"De flesta av de idéer som vi teoretiker har misslyckas innan de någonsin kommer någonstans, så det var en stor sak att se den här galna idén som vi hade på en whiteboard bli en fysisk sak, " sade Graham. "Experimentalisterna, som Kent, har fortfarande mycket arbete framför sig men för mig, det känns som kulmen på så många års arbete. Dark Matter Radio kommer att bli verklig. Det kommer att hända."