Ett av den moderna vetenskapens stora mysterier är mörk materia. Vi vet att mörk materia existerar tack vare dess effekter på andra objekt i kosmos, men vi har aldrig kunnat se det direkt. Och det är ingen liten sak – för närvarande tror forskare att det utgör cirka 85 % av all massa i universum.
Ett nytt experiment av ett samarbete ledd av University of Chicago och Fermi National Accelerator Laboratory, känt som Broadband Reflector Experiment for Axion Detection eller BREAD, har släppt sina första resultat i sökandet efter mörk materia i en studie publicerad i Physical Granska brev . Även om de inte hittade mörk materia, minskade de begränsningarna för var den kunde vara och visade ett unikt tillvägagångssätt som kan påskynda sökandet efter den mystiska substansen, till relativt lite utrymme och kostnad.
"Vi är väldigt exalterade över vad vi har kunnat göra hittills", säger UChicago Assoc. Prof. David Miller, medledare för experimentet tillsammans med Fermilabs Andrew Sonnenschein, som ursprungligen utvecklade konceptet för experimentet. "Det finns många praktiska fördelar med den här designen, och vi har redan visat den bästa känsligheten hittills i denna 11-12 gigahertz-frekvens."
"Detta resultat är en milstolpe för vårt koncept, och visar för första gången kraften i vårt tillvägagångssätt", säger Fermilab postdoktor och studiehuvudförfattare Stefan Knirck, som ledde konstruktionen och driften av detektorn. "Det är fantastiskt att göra den här typen av kreativ vetenskap i bordsskala, där ett litet team kan göra allt från att bygga experimentet till dataanalys, men ändå ha en stor inverkan på modern partikelfysik."
När vi tittar runt i universum kan vi se att någon sorts substans utövar tillräckligt med gravitation för att dra på stjärnor och galaxer och passera ljus, men inget teleskop eller apparat har någonsin direkt plockat upp källan – därav namnet "mörk materia".
Men eftersom ingen någonsin har sett mörk materia vet vi inte ens exakt hur den kan se ut eller ens exakt var vi ska leta efter den. "Vi är mycket övertygade om att något finns där, men det finns många, många former det kan ta sig", säger Miller.
Forskare har kartlagt flera av de mest troliga alternativen för platser och former att leta efter. Vanligtvis har tillvägagångssättet varit att bygga detektorer för att mycket noggrant söka i ett specifikt område (i det här fallet en uppsättning frekvenser) för att utesluta det.
Men ett team av forskare utforskade ett annat tillvägagångssätt. Deras design är "bredband", vilket betyder att den kan söka en större uppsättning möjligheter, om än med något mindre precision.
"Om du tänker på det som en radio, är sökandet efter mörk materia som att ställa in ratten för att söka efter en viss radiostation, förutom att det finns en miljon frekvenser att kolla igenom", sa Miller. "Vår metod är som att göra en genomsökning av 100 000 radiostationer, snarare än några mycket noggrant."
BREAD-detektorn söker efter en specifik delmängd av möjligheter. Den är byggd för att leta efter mörk materia i form av vad som kallas "axioner" eller "mörka fotoner" — partiklar med extremt små massor som kan omvandlas till en synlig foton under rätt omständigheter.
BREAD består alltså av ett metallrör som innehåller en krökt yta som fångar upp och leder potentiella fotoner till en sensor i ena änden. Hela saken är tillräckligt liten för att passa dina armar, vilket är ovanligt för den här typen av experiment. I fullskalig version kommer BRÖD att placeras inuti en magnet för att generera ett starkt magnetfält, vilket ökar chanserna att omvandla mörk materia partiklar till fotoner.
För principbeviset körde teamet dock experimentet utan magneter. Samarbetet drev prototypenheten på UChicago i ungefär en månad och analyserade data.
Resultaten är mycket lovande och visar mycket hög känslighet i den valda frekvensen, sa forskarna.
Sedan resultaten publicerade i Physical Review Letters accepterades, BRÖD har flyttats in i en återanvänd MR-magnet vid Argonne National Laboratory och tar mer data. Dess eventuella hem, på Fermi National Accelerator Laboratory, kommer att använda en ännu starkare magnet.
"Detta är bara det första steget i en serie spännande experiment som vi planerar", sa Sonnenschein. "Vi har många idéer för att förbättra känsligheten i vår axionsökning."
"Det finns fortfarande så många öppna frågor inom vetenskapen, och ett enormt utrymme för kreativa nya idéer för att ta itu med dessa frågor," sa Miller. "Jag tror att det här är ett riktigt kännetecknande exempel på den typen av kreativa idéer – i det här fallet effektfulla, samarbetspartnerskap mellan mindre vetenskap vid universitet och större vetenskap vid nationella laboratorier."
BREAD-instrumentet byggdes på Fermilab som en del av laboratoriets detektor-FoU-program och användes sedan vid UChicago, där data för denna studie samlades in. UChicago doktorand Gabe Hoshino ledde driften av detektorn, tillsammans med studenterna Alex Lapuente och Mira Littmann.
Argonne National Laboratory har en magnetanläggning som kommer att användas för nästa steg av BREAD-fysikprogrammet. Andra institutioner, inklusive SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Illinois Institute of Technology, MIT, Jet Propulsion Laboratory, University of Washington, Caltech och University of Illinois i Urbana-Champaign, arbetar med UChicago och Fermilab på FoU för framtida versioner av experimentet.
Mer information: Stefan Knirck et al, Första resultaten från en bredbandssökning efter mörk foton mörk materia i intervallet 44 till 52 μeV med en koaxial parabolantenn, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.131004
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av University of Chicago
