Fysiker från MIT och andra håll har utfört den första körningen av ett nytt experiment för att upptäcka axioner - hypotetiska partiklar som förutspås vara bland de lättaste partiklarna i universum. Om de finns, axioner skulle vara praktiskt taget osynliga, ändå oundviklig; de kan utgöra nästan 85 procent av universums massa, i form av mörk materia.

Axioner är särskilt ovanliga eftersom de förväntas modifiera reglerna för elektricitet och magnetism på minutnivå. I en tidning som publicerades idag i Fysiska granskningsbrev , det MIT-ledda teamet rapporterar att under den första månaden av observationer upptäckte experimentet inga tecken på axioner inom massintervallet 0,31 till 8,3 nanoelektronvolt. Detta betyder att axioner inom detta massintervall, vilket motsvarar ungefär en kvintiljondel av en protons massa, antingen finns de inte eller så har de en ännu mindre effekt på elektricitet och magnetism än vad man tidigare trott.

"Det här är första gången någon direkt tittar på detta axionutrymme, " säger Lindley Winslow, huvudforskare av experimentet och Jerrold R. Zacharias karriärutveckling biträdande professor i fysik vid MIT. "Vi är glada över att vi nu kan säga, "Vi har ett sätt att se här, och vi vet hur man gör bättre!'"

Winslows MIT-medförfattare inkluderar huvudförfattaren Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zachary Bogorad, Janet Conrad, Joseph Formaggio, Joseph Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler, och Daniel Winklehner, tillsammans med forskare från åtta andra institutioner.

Magneter och munchkins

Även om de tros finnas överallt, axioner förutspås vara praktiskt taget spökliknande, har bara små interaktioner med något annat i universum.

"Som mörk materia, de borde inte påverka din vardag, " säger Winslow. "Men de tros påverka saker på en kosmologisk nivå, som universums expansion och bildandet av galaxer vi ser på natthimlen."

På grund av deras interaktion med elektromagnetism, Teoretiseras att axioner har ett överraskande beteende kring magnetarer - en typ av neutronstjärna som skapar ett enormt kraftfullt magnetfält. Om axioner finns, de kan utnyttja magnetarens magnetfält för att omvandla sig själva till radiovågor, som kan upptäckas med dedikerade teleskop på jorden.

2016, en trio av MIT-teoretiker gjorde ett tankeexperiment för att upptäcka axioner, inspirerad av magnetaren. Experimentet döptes till ABRACADABRA, för A Bredband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection med en förstärkande B-fälts ringapparat, och föddes av Thaler, som är docent i fysik och forskare vid Laboratoriet för kärnvetenskap och Centrum för teoretisk fysik, tillsammans med Benjamin Safdi, sedan en MIT Pappalardo Fellow, och tidigare doktoranden Yonatan Kahn.

Teamet föreslog en design för en liten, munkformad magnet som förvaras i kylskåp vid temperaturer strax över absolut noll. Utan axioner, det ska inte finnas något magnetfält i mitten av munken, eller, som Winslow uttrycker det, "där munchkin ska vara." Dock, om axioner finns, en detektor ska "se" ett magnetfält i mitten av munken

Efter att gruppen publicerat sin teoretiska design, Winslow, en experimentalist, började hitta sätt att faktiskt bygga experimentet.

"Vi ville leta efter en signal om en axion där, om vi ser det, det är verkligen axionen, " säger Winslow. "Det var det som var elegant med det här experimentet. Tekniskt, om du såg detta magnetfält, det kan bara vara axionen, på grund av den speciella geometri de tänkte på."

I sweet spot

Det är ett utmanande experiment eftersom den förväntade signalen är mindre än 20 atto-Tesla. Som referens, Jordens magnetfält är 30 mikro-Tesla och mänskliga hjärnvågor är 1 pico-Tesla. Vid uppbyggnaden av experimentet, Winslow och hennes kollegor hade två stora designutmaningar, den första involverade kylskåpet som användes för att hålla hela experimentet vid ultrakalla temperaturer. Kylskåpet inkluderade ett system av mekaniska pumpar vars aktivitet kunde generera mycket små vibrationer som Winslow var orolig för kunde maskera en axionssignal.

Den andra utmaningen hade att göra med buller i miljön, från närliggande radiostationer, elektronik i hela byggnaden slås på och av, och även LED-lampor på datorer och elektronik, som alla kan generera konkurrerande magnetfält.

Teamet löste det första problemet genom att hänga upp hela utrustningen, använda en tråd så tunn som tandtråd. Det andra problemet löstes genom en kombination av kall supraledande skärmning och varm skärmning runt utsidan av experimentet.

"Vi kunde då äntligen ta data, och det fanns en söt region där vi var ovanför vibrationerna i kylen, och under miljöbullret som förmodligen kommer från våra grannar, där vi kunde göra experimentet."

Forskarna körde först en serie tester för att bekräfta att experimentet fungerade och visade magnetiska fält korrekt. Det viktigaste testet var injiceringen av ett magnetfält för att simulera en falsk axion, och att se att experimentets detektor producerade den förväntade signalen – vilket indikerar att om en verklig axion interagerade med experimentet, det skulle upptäckas. Vid denna tidpunkt var experimentet redo att gå.

"Om du tar data och kör den genom ett ljudprogram, du kan höra ljuden som kylskåpet gör, " säger Winslow. "Vi ser också andra buller på och av, från att någon bredvid gör något, och sedan försvinner det ljudet. Och när vi tittar på denna söta plats, det håller ihop, vi förstår hur detektorn fungerar, och det blir tyst nog att höra axionerna."

Att se svärmen

Under 2018, laget genomförde ABRACADABRAS första körning, kontinuerlig provtagning mellan juli och augusti. Efter att ha analyserat data från denna period, de hittade inga bevis för axioner inom massintervallet 0,31 till 8,3 nanoelektronvolt som förändrar elektricitet och magnetism med mer än en del på 10 miljarder.

Experimentet är designat för att detektera axioner av ännu mindre massor, ner till ca 1 femtoelektronvolt, samt axioner så stora som 1 mikroelektronvolt.

Teamet kommer att fortsätta köra det nuvarande experimentet, som är ungefär lika stor som en basketboll, att leta efter ännu mindre och svagare axioner. Under tiden, Winslow håller på att ta reda på hur man skalar upp experimentet, till storleken på en kompakt bil — dimensioner som skulle kunna möjliggöra upptäckt av ännu svagare axioner.

"Det finns en verklig möjlighet för en stor upptäckt i nästa steg av experimentet, " säger Winslow. "Det som motiverar oss är möjligheten att se något som skulle förändra fältet. Det är högrisk, hög belöning fysik."