En detektionsenhet designad och byggd på Yale begränsar sökandet efter mörk materia i form av axioner, en teoretiserad subatomär partikel som kan utgöra så mycket som 80 % av materien i universum.

Leds av Yale-fysikern Steve Lamoreaux, ett team av forskare tillkännagav de första resultaten av projektet, kallas Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter (HAYSTAC). Fynden visas i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

"Förekomsten av mörk materia har fastställts med en hög grad av tillförsikt. Men för närvarande vet ingen vad det är, och det är fortfarande en av de utestående frågorna inom modern vetenskap, ", sade Lamoreaux. "Vårt arbete sätter viktiga gränser för en ledande teori om mörk materia."

Den teorin fokuserar på axionen, en partikel som föreslogs på 1980-talet. Lamoreaux sa att axionen – som inte har någon laddning, ingen snurr, och en minimal mängd massa – har alla nödvändiga egenskaper för att vara en övertygande kandidat för mörk materia. Den observerade tätheten av mörk materia i vår galax kräver ungefär 10 biljoner axioner per kubikcentimeter; dock, deras direkta interaktioner med vanlig materia är så svaga att deras upptäckt kräver extremt känsliga experimentella tekniker.

Med hjälp av ett nytt instrument byggt vid Yales Wright Lab, Lamoreaux och hans kollegor vidgade de möjliga parametrarna för att upptäcka axioner. Deras studie visar instrumentets känslighet som krävs för att upptäcka axioner som är 10 gånger tyngre än de som tidigare experiment målt efter.

Axiondetektorer använder intensiva magnetfält för att omvandla axioner till detekterbara mikrovågsfotoner vid en specifik frekvens som bestäms av den okända axionsmassan. Tidigare experiment har sökt efter axioner med låg massa. Att driva sökningen till högre massor har varit utmanande för forskare eftersom det kräver högfrekventa detektorer som är fysiskt mindre, och signalerna från axionomvandling i sådana fall är svagare.

"Vårt stora genombrott var att göra detektorn kallare och tystare än någonsin tidigare, genom att anpassa förstärkare utvecklade för kvantberäkningsforskning vars brusprestanda närmar sig de grundläggande gränserna som kvantmekanikens lagar ställer, " Sa Lamoreaux. "Med de första data från vår detektor, vi har satt gränser för växelverkan mellan mörk materiaaxioner och öppnat en ny del av det tillåtna axionsmassområdet för experimentell undersökning."

Tidningens första författare är Ben Brubaker, en doktorand i Lamoreaux-labbet vid Yale. Ytterligare Yale-medförfattare är Ling Zhong, Julia Gurevich, Sidney Cahn, och Kelly Backes. Andra medförfattare är från University of California-Berkeley, University of Colorado, National Institute of Standards and Technology, och Lawrence Livermore National Laboratory.

"Axion-experimentet med mörk materia vid Yale tänjer på gränserna för partikelastrofysik, sa Karsten Heeger, direktör för Wright-laboratoriet. "Det är ett lysande exempel på ett universitetsbaserat experiment som använder avancerad instrumentering och utnyttjar lokal infrastruktur för att ta itu med en av de grundläggande frågorna om universum och utbilda nästa generations forskare. Vi är glada över att ha en sådan världsledande insats här på campus vid Wright Lab."