Mörk materia är bara känd genom dess effekt på massiva astronomiska kroppar, men har ännu inte observerats direkt eller ens identifierats. En teori om vad mörk materia kan vara tyder på att det kan vara en partikel som kallas en axion och att dessa kan vara detekterbara med laserbaserade experiment som redan finns. Dessa laserexperiment är gravitationella vågobservatorier.

Jakten pågår för mörk materia. Det finns många teorier om hur det kan visa sig vara, men många fysiker tror att mörk materia är en svagt interagerande massiv partikel, eller WIMP. Vad detta betyder är att det inte interagerar lätt med vanlig materia. Vi vet att detta är sant eftersom det inte har setts direkt ännu. Men den måste också ha åtminstone en viss massa eftersom dess närvaro kan härledas av dess gravitationella attraktion.

Det har gjorts enorma ansträngningar för att upptäcka WIMP mörk materia, inklusive med Large Hadron Collider i Schweiz, men WIMP har inte observerats än. En alternativ kandidatpartikel som får uppmärksamhet är axionen.

"Vi antar att axionen är mycket lätt och interagerar knappt med våra välbekanta typer av materia. Därför, det anses vara en bra kandidat för mörk materia, "sade biträdande professor Yuta Michimura från fysiska institutionen vid Tokyos universitet." Vi vet inte massan av axioner, men vi tror oftast att den har en massa mindre än elektronernas. Vårt universum är fyllt med mörk materia och det uppskattas att det finns 500 gram mörk materia inom jorden, om massan av en ekorre. "

Axioner verkar vara en bra kandidat för mörk materia, men eftersom de bara kan interagera mycket svagt med vanlig materia, de är utomordentligt svåra att upptäcka. Så fysiker utvecklar alltmer invecklade sätt att kompensera för denna bristande interaktion i hopp om att avslöja den signalerande mörk materia, som utgör över en fjärdedel av det synliga universum.

"Våra modeller föreslår att axion mörk materia modulerar ljuspolarisering, som är orienteringen för oscillationen av elektromagnetiska vågor, "förklarade Koji Nagano, doktorand vid Institute for Cosmic Ray Research vid University of Tokyo. "Denna polarisationsmodulering kan förbättras om ljuset reflekteras fram och tillbaka många gånger i en optisk kavitet som består av två parallella speglar från varandra. De mest kända exemplen på denna typ av hålrum är de långa tunnelarmarna i gravitationell våg observatorier. "

Mörk materieforskning får inte lika mycket uppmärksamhet eller finansiering som andra mer tillämpliga områden inom vetenskaplig forskning, så stora ansträngningar görs för att hitta sätt att göra jakten kostnadseffektiv. Detta är relevant eftersom andra teoretiska sätt att observera axioner involverar extremt starka magnetfält som medför stora kostnader. Här, forskare föreslår att befintliga gravitationsvågsobservatorier som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA, Jungfrun i Italien eller KAGRA i Japan kan modifieras billigt för att jaga axioner utan att det påverkar deras befintliga funktioner.

"Med vårt nya system, vi kunde söka efter axioner genom att lägga till lite polarisationsoptik framför fotodiodsensorer i gravitationella vågdetektorer, "beskrev Michimura." Nästa steg som jag skulle vilja se är implementering av optik till en gravitationsvågsdetektor som KAGRA. "

Denna idé har ett löfte eftersom uppgraderingarna av gravitationsvågsanläggningarna inte skulle minska känsligheten de förlitar sig på för sin primära funktion, som ska upptäcka avlägsna gravitationella vågor. Försök har gjorts med experiment och observationer för att hitta axionen, men hittills har ingen positiv signal hittats. Forskarnas föreslagna metod skulle vara mycket mer exakt.

"Det finns överväldigande astrofysiska och kosmologiska bevis för att mörk materia existerar, men frågan "Vad är mörk materia?" är ett av de största utestående problemen inom modern fysik, "sa Nagano." Om vi ​​kan upptäcka axioner och säkert säga att det är mörk materia, det skulle verkligen bli en riktigt spännande händelse. Det är vad fysiker som vi drömmer om. "