Ny forskning i Physical Review Letters (PRL ) har föreslagit en ny metod för att upptäcka kandidater för ljus mörk materia med hjälp av laserinterferometri för att mäta de oscillerande elektriska fälten som genereras av dessa kandidater.
Mörk materia är en av de mest pressande utmaningarna i modern fysik, där mörk materia partiklar är svårfångade och svåra att upptäcka. Detta har fått forskare att komma på nya och innovativa sätt att leta efter dessa partiklar.
Det finns flera kandidater för mörk materia partiklar, såsom WIMPs, ljus mörk materia partiklar (axioner), och den hypotetiska gravitino. Ljus mörk materia, inklusive bosoniska partiklar som QCD (quantum chromo dynamics) axion, har blivit en intressant plats de senaste åren.
Dessa partiklar har vanligtvis undertryckta interaktioner med standardmodellen, vilket gör dem utmanande att upptäcka. Men att känna till deras egenskaper, inklusive deras vågliknande beteende och koherenta natur på galaktiska skalor, hjälper till att designa mer effektiva experiment.
I den nya PRL studie har forskare från University of Maryland och Johns Hopkins University föreslagit Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics eller GALILEO, ett nytt tillvägagångssätt för att detektera mörk materia av både axion och mörk foton över ett brett massområde.
Huvudforskaren Reza Ebadi, en doktorand vid Quantum Technology Center (QTC) vid University of Maryland, talade med Phys.org om forskningen och deras motivation för att utveckla detta nya tillvägagångssätt, "Även om standardmodellen ger framgångsrika förklaringar av fenomen som sträcker sig från subnukleära avstånd till universums storlek, det är inte en fullständig förklaring av naturen."
"Den tar inte hänsyn till kosmologiska observationer från vilka förekomsten av mörk materia kan slutas. Vi strävar efter att få insikt i de fysikaliska teorier som verkar på galaktiska skalor med hjälp av småskaliga laboratorieexperiment."
Axioner och axionliknande partiklar föreslogs ursprungligen för att lösa problem inom partikelfysik, såsom problemet med stark laddningsparitet (CP). Detta problem uppstår från observationen att den starka kraften inte verkar uppvisa en viss typ av symmetriöverträdelse, kallad CP-överträdelse, så mycket som teorin förutspår att den borde.
Detta teoretiska ramverk ger naturligtvis upphov till axionliknande partiklar, som har liknande egenskaper som axioner, där båda är bosoner.
Axioner och axionliknande partiklar förutspås ha mycket låga massor, vanligtvis från mikroelektronvolt till millielektronvolt. Detta gör dem till lämpliga kandidater för ljus mörk materia, eftersom de kan uppvisa vågliknande beteende på galaktiska skalor.
Förutom sin låga massa interagerar axioner och axionliknande partiklar mycket svagt med vanlig materia, vilket gör dem svåra att upptäcka med konventionella metoder.
Detta är några anledningar till att forskarna har valt att upptäcka dessa partiklar i sin experimentuppställning. Metoden är dock beroende av oscillerande elektriska fält som produceras av dessa partiklar.
I regioner med betydande täthet av mörk materia kan axioner och ALP:er genomgå koherenta svängningar. Dessa koherenta svängningar kan ge upphov till detekterbara signaler, såsom oscillerande elektriska fält, som det föreslagna GALILEO-experimentet syftar till att mäta.
GALILEO
"Ljus mörk materia kandidater beter sig som vågor i solområdet. Sådana mörk materia vågor förutspås inducera mycket svaga oscillerande elektriska fält med magnetiska fält på grund av deras minimala interaktioner med elektromagnetism."
"Vi fokuserade på detektering av det elektriska fältet snarare än magnetfältet, som är målsignalen i de flesta aktuella och föreslagna experiment", förklarade Ebadi.
Ljus mörk materia-inducerade elektriska fält kan detekteras med hjälp av elektrooptiska material, där det yttre elektriska fältet modifierar materialets egenskaper, såsom brytningsindex.
GALILEO använder en asymmetrisk Michelson-interferometer, en enhet som kan mäta förändringar i brytningsindex. En arm på interferometern innehåller det elektrooptiska materialet.
När en sondlaserstråle delas och skickas genom interferometerns två armar, introducerar armen som innehåller det elektrooptiska materialet ett variabelt brytningsindex. Denna förändring i brytningsindex påverkar laserstrålens fas, vilket resulterar i en oscillerande signal när strålarna slås samman igen.
Genom att mäta den differentiella fashastigheten mellan interferometerns två armar kan GALILEO detektera frekvensen av oscillation inducerad av ljus mörk materia. Denna oscillerande signal fungerar som signaturen för närvaron av mörk materia partiklar.
Metodens känslighet kan ökas genom att inkorporera Fabry-Perot-håligheter (som ökar längden på interferometerarmen, vilket möjliggör större precision) och ta upprepade oberoende mätningar.
Forskningen bygger på precisionsmätningar med laserinterferometri.
Ebadi förklarade, "Ett utmärkt exempel på hur laserinterferometrar kan användas för precisionsmätningar är LIGO, den markbaserade gravitationsvågsdetektorn."
"Vårt förslag använder liknande tekniska framsteg som LIGO, såsom Fabry-Perot-hålrum eller klämt ljus för att undertrycka kvantbrusgränsen. Men till skillnad från LIGO är den föreslagna GALILEO-interferometern en enhet i bordsskala."
Även om arbetet är teoretiskt har forskarna redan planer på att genomföra experimentprogrammet steg för steg.
Viktigt är att de vill bestämma de tekniska parametrarna som krävs för en optimerad experimentuppställning, som de planerar att använda för att utföra vetenskapliga experiment för att söka efter ljus mörk materia.
Dessutom framhåller Ebadi vikten av att använda högfina Fabry-Perot-håligheter tillsammans med elektro-optiskt material i kaviteten, såväl som att karakterisera bullerbudgeten och installationssystemet, som är avgörande aspekter av den experimentella processen.
"GALILEO har potentialen att bli en betydande del av det större uppdraget att utforska det enorma teoretiskt livskraftiga utrymmet för kandidater för mörk materia," avslutade Ebadi.
Mer information: Reza Ebadi et al, GALILEO:Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101001.
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
