Tack vare lågbrus supraledande kvantförstärkare som uppfanns vid University of California, Berkeley, fysiker påbörjar nu det mest känsliga sökandet efter axioner hittills, en av dagens toppkandidater för mörk materia.

Axion Dark Matter Experiment (ADMX) rapporterade idag resultat som visar att det är världens första och enda experiment som har uppnått den nödvändiga känsligheten för att "höra" de tydliga tecknen på axioner av mörk materia.

Milstolpen är resultatet av mer än 30 års forskning och utveckling, med den senaste pusselbiten i form av en kvantenhet som gör att ADMX kan lyssna efter axioner närmare än något experiment som någonsin byggts.

John Clarke, en professor i fysik vid forskarskolan vid UC Berkeley och en pionjär inom utvecklingen av känsliga magnetiska detektorer som kallas SQUIDs (supraledande kvantinterferensenheter), utvecklade förstärkaren för två decennier sedan. ADMX-forskare, med Clarkes input, har nu införlivat det i ADMX-detektorn vid University of Washington, Seattle, och är redo att rulla.

"ADMX är en komplicerad och ganska dyr maskin, så det tog ett tag att bygga en passande detektor så att de kunde sätta SQUID-förstärkaren på den och visa att den fungerade som annonserat. Vilket det gjorde, " sa Clarke.

ADMX-teamet publicerade sina resultat online idag i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

"Detta resultat signalerar början på den sanna jakten på axioner, " sa Andrew Sonnenschein vid Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Batavia, Illinois, 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."

Mörk materia:MACHO, WIMPs eller axions?

Mörk materia är de saknade 84 procenten av materia i universum, och fysiker har letat mycket efter många möjliga kandidater, mest framträdande massiva kompakta haloobjekt, eller MACHO, och svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMPs. Trots årtionden av sökande efter MACHOs och WIMPs, forskare har slagit ut; de kan se effekterna av mörk materia i universum, i hur galaxer och stjärnor i galaxer rör sig, men de kan inte se själva mörk materia.

Axions blir det favoritalternativ, delvis för att deras existens också skulle lösa problem med standardmodellen för partikelfysik idag, inklusive det faktum att neutronen ska ha ett elektriskt dipolmoment, men gör det inte.

Precis som andra kandidater för mörk materia, axioner finns överallt men svåra att upptäcka. Eftersom de interagerar med vanlig materia så sällan, de strömmar genom rymden, även passerar genom jorden, utan att "röra" vanlig materia. ADMX använder ett starkt magnetfält och en avstämd, reflekterande låda för att uppmuntra axioner att konvertera till mikrovågsfrekvensfotoner, och använder kvantförstärkaren för att "lyssna" efter dem. Allt detta görs vid lägsta möjliga temperatur för att minska bakgrundsljudet.

Clarke fick reda på en viktig stötesten för ADMX 1994, när han träffade fysikern Leslie Rosenberg, nu professor vid University of Washington och chefsforskare för ADMX, och Karl van Bibber, nu ordförande för UC Berkeleys institution för kärnteknik. Eftersom axionssignalen skulle vara mycket svag, vilken detektor som helst måste vara väldigt kall och "tyst". Ljud från värme, eller termisk strålning, är lätt att eliminera genom att kyla ner detektorn till 0,1 Kelvin, eller ungefär 460 grader under noll Fahrenheit. Men att eliminera bruset från vanliga halvledartransistorförstärkare visade sig vara svårt.

De frågade Clarke, skulle SQUID-förstärkare lösa detta problem?

Superkalla förstärkare sänker brus till absolut gräns

Även om han hade byggt SQUID-förstärkare som fungerade upp till 100 MHz-frekvenser, ingen fungerade på de gigahertz-frekvenser som behövs, så han satte igång med att bygga en. 1998, han och hans medarbetare hade löst problemet, till stor del tack vare initial finansiering från National Science Foundation och efterföljande finansiering från Department of Energy (DOE) genom Lawrence Berkeley National Laboratory. Förstärkarna på ADMX finansierades av DOE genom University of Washington.

Clarke och hans grupp visade att kyls till temperaturer på tiotals millikelvin över absoluta nollpunkten, Microstrip SQUID Amplifier (MSA) kunde uppnå ett brus som var kvantbegränsat, det är, begränsas endast av Heisenbergs osäkerhetsprincip.

"Du kan inte göra bättre än så, " sa Clarke.

Denna mycket tystare teknik, kombinerat med kylaggregatet, reducerade bruset med en faktor på cirka 30 vid 600 MHz så att en signal från axionen, om det finns en, bör komma fram högt och tydligt. MSA som för närvarande är i drift på ADMX tillverkades av Gene Hilton vid National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado, och testade, kalibrerad och förpackad av Sean O'Kelley, en doktorand i Clarkes forskargrupp vid UC Berkeley.

ADMX-teamet planerar att långsamt ställa in miljontals frekvenser i hopp om att höra en tydlig ton från fotoner som produceras av axionsnedbrytning.

"Detta resultat planterar en flagga, " sade Rosenberg. "Det berättar för 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."

Clarke noterade också att högfrekventa, lågbruskvant SQUID-förstärkare som han uppfann för ADMX har sedan dess använts inom ett annat hett område inom fysiken, att läsa ut de supraledande kvantbitarna, eller qubits, för framtidens kvantdatorer.