• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Nytt resultat bygger på 30 års forskning och utveckling och börjar det definitiva sökandet efter axionpartiklar

    Gray Rybka vid University of Washington, medtalesman för ADMX-samarbetet, justerar en ratt på ADMX-experimentet. Kredit:Mark Stone/University of Washington

    För fyrtio år sedan, forskare teoretiserade en ny sorts lågmassapartikel som kunde lösa ett av naturens bestående mysterier:vad mörk materia är gjord av. Nu har ett nytt kapitel i sökandet efter den partikeln börjat.

    Denna vecka, Axion Dark Matter Experiment (ADMX) presenterade ett nytt resultat, publicerad i Fysiska granskningsbrev , som placerar den i en kategori av ett:Det är världens första och enda experiment som har uppnått den nödvändiga känsligheten för att "höra" de tydliga tecknen på mörk materia-axioner. Detta tekniska genombrott är resultatet av mer än 30 års forskning och utveckling, med den senaste pusselbiten i form av en kvantaktiverad enhet som låter ADMX lyssna efter axioner närmare än något experiment som någonsin byggts.

    ADMX hanteras av det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory och ligger vid University of Washington. Detta nya resultat, den första från andra generationens körning av ADMX, sätter gränser för ett litet frekvensområde där axioner kan gömma sig och sätter scenen för en bredare sökning under de kommande åren.

    "Detta resultat signalerar början på den sanna jakten på axioner, " sa Fermilab-forskaren Andrew Sonnenschein, driftansvarig för ADMX. "Om mörk materia-axioner finns inom frekvensbandet kommer vi att undersöka under de närmaste åren, då är det bara en tidsfråga innan vi hittar dem."

    En teori antyder att den mörka materien som håller ihop galaxer kan bestå av ett stort antal lågmassapartiklar, som nästan är osynliga för upptäckt när de strömmar genom kosmos. Ansträngningar på 1980-talet för att hitta denna partikel, kallad axionen av teoretikern Frank Wilczek, för närvarande vid Massachusetts Institute of Technology, misslyckades, visar att deras upptäckt skulle vara extremt utmanande.

    ADMX är ett axion-haloskop - i huvudsak ett stort, radiomottagare med låg brus, som forskare ställer in på olika frekvenser och lyssnar på för att hitta axionsignalens frekvens. Axioner interagerar nästan aldrig med materia, men med hjälp av ett starkt magnetfält och en kyla, mörk, rätt inställd, reflekterande låda, ADMX kan "höra" fotoner som skapas när axioner omvandlas till elektromagnetiska vågor inuti detektorn.

    "Om du tänker på en AM-radio, det är precis så, sa Grey Rybka, medtalesman för ADMX och biträdande professor vid University of Washington. "Vi har byggt en radio som letar efter en radiostation, men vi vet inte dess frekvens. Vi vrider sakta på vredet medan vi lyssnar. Helst kommer vi att höra en ton när frekvensen är rätt."

    Denna detekteringsmetod, som kan göra den "osynliga axeln" synlig, uppfanns av Pierre Sikivie från University of Florida 1983, som var föreställningen att galaktiska glorier kunde vara gjorda av axioner. Banbrytande experiment och analyser i samarbete med Fermilab, University of Rochester och US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory, såväl som forskare vid University of Florida, visade det praktiska i experimentet. Detta ledde till konstruktionen i slutet av 1990-talet av en storskalig detektor vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Livermore National Laboratory som är grunden för den nuvarande ADMX.

    Det var först nyligen, dock, att ADMX-teamet har kunnat distribuera supraledande kvantförstärkare till sin fulla potential, gör det möjligt för experimentet att nå oöverträffad känslighet. Tidigare körningar av ADMX hindrades av bakgrundsljud som genererats av termisk strålning och maskinens egen elektronik.

    Det är enkelt att fixa värmestrålningsljud:ett kylsystem kyler ner detektorn till 0,1 Kelvin (ungefär minus 460 grader Fahrenheit). Men att eliminera bruset från elektroniken visade sig vara svårare. De första körningarna av ADMX använde standardtransistorförstärkare, men efter att ha kontaktat John Clarke, professor vid University of California, Berkeley, Clarke utvecklade en kvantbegränsad förstärkare för experimentet. Denna mycket tystare teknik, kombinerat med kylaggregatet, minskar bruset med en tillräckligt stor nivå för att signalen, skulle ADMX upptäcka en, kommer fram högt och tydligt.

    "De första versionerna av detta experiment, med transistorbaserade förstärkare, skulle ha tagit hundratals år att skanna det mest sannolika området av axionsmassor. Med de nya supraledande detektorerna, vi kan söka i samma intervall på tidsskalor på bara några år, " sa Gianpaolo Carosi, medtalesman för ADMX och forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory.

    "Detta resultat planterar en flagga, sa Leslie Rosenberg, professor vid University of Washington och chefsforskare för ADMX. "Det säger till världen att vi har känsligheten, och har en mycket bra chans att hitta axionen. Ingen ny teknik behövs. Vi behöver inget mirakel längre, vi behöver bara tiden."

    ADMX kommer nu att testa miljontals frekvenser på denna nivå av känslighet. Om axioner hittas, det skulle vara en stor upptäckt som inte bara kan förklara mörk materia, men andra kvardröjande mysterier i universum. Om ADMX inte hittar axioner, som kan tvinga teoretiker att ta fram nya lösningar på dessa gåtor.

    "En upptäckt kan komma när som helst under de närmaste åren, " sa vetenskapsmannen Aaron Chou från Fermilab. "Det har varit en lång väg att komma dit, men vi är på väg att börja den mest spännande tiden i detta pågående sökande efter axioner."

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com